Den nuvarande kiselbaserade datortekniken är energiineffektiv. Informations- och kommunikationsteknik beräknas använda över 20 % av den globala elproduktionen till 2030. Så att hitta sätt att minska koldioxidutsläppen på tekniken är ett självklart mål för energibesparingar. Professor Paolo Radaelli från Oxfords institution för fysik, arbetar med Diamond Light Source, Storbritanniens nationella synkrotron, har lett forskning om effektivare alternativ till kisel. Hans grupps överraskande resultat publiceras i Natur i en artikel med titeln "Antiferromagnetiska halvskyrmioner och bimeroner vid rumstemperatur." Några av de antiferromagnetiska texturer som de har hittat kan dyka upp som främsta kandidater för lågenergi antiferromagnetisk spintronik vid rumstemperatur.

Forskare har arbetat länge med alternativa tekniker till kisel. Oxider av vanliga metaller som järn och koppar är naturliga mål eftersom de redan är en teknisk bas, finns i kiselbaserade datorer, vilket innebär att det finns en stor chans för kompatibilitet mellan de två teknologierna. Även om oxider är bra för att lagra information, de är inte bra på att flytta runt information – en nödvändighet för beräkning. Dock, en egenskap hos oxider som har dykt upp är att många är magnetiska, vilket betyder att det kan vara möjligt att flytta runt magnetiska bitar, både i oxider och i andra magneter, med mycket lite energi som krävs.

Professor Radaelli säger, "De typer av bitar vi pratar om måste vara väldigt små - 10 nanometer är den typiska målsiffran - och måste vara robusta även när de skakas och rörs om." Detta är mycket utmanande, eftersom risken att de helt enkelt skingras bort är väldigt stor när biten är så liten. En möjlig lösning kom från det mest osannolika håll:en märklig parallell mellan fasta tillståndets fysik och kosmologi. Faktiskt, Inspirationen till detta projekt sattes i form av en utmaning:Kan vi replikera kosmiska strängar i en magnet?"

Viktigt för att få svar var att teamen använde Diamonds Nanoscience beamline och PhotoEmission Electron Microscope (PEEM). Den kombinerar hög rumslig upplösning med hög flödestäthet för att lösa nanostrukturer på nanometerlängdsskalor. Genom PEEM, Nanoscience-strållinjen kan lösa nanopartiklar med diametrar på mindre än 20 nm med hjälp av polariserad mjuk röntgenstrålning.

Kosmiska strängar är tänkta att vara filament i rymden, mycket tunnare än en atom men potentiellt lika lång som avståndet mellan stjärnorna. Vissa kosmologiska teorier förutspår att de kunde ha bildats i ögonblicken efter Big Bang när universum svalnade snabbt. Även om forskare fortfarande diskuterar om de finns, en teori antyder att en gång bildats, kosmiska strängar skulle vara stabila och skulle inte "dunsta, " så astronomer kanske kommer att kunna upptäcka dem i framtiden. Relevansen av kosmiska strängar och datorer är att den matematiska beskrivningen av kosmiska strängar är ganska enkel. Samma typ av matematiska förhållanden som gynnar bildandet av strängar kan hittas i många andra fysiska system, inklusive magneter.

Professor Radaelli säger, "Det är skönheten med fysiken:matematiska ekvationer som beskriver 'makrokosmos' på parsec-skalor kan också fungera i mikrokosmos på nanometerskalor. Med utmaningen inställd, allt som återstod att göra var att hitta en passande magnet. Ännu en gång, kandidaten visade sig vara högst osannolik:vanlig rost."

Järnoxid (kemisk formel Fe ₂ O ₃ ) är en huvudbeståndsdel i rost. Varje järnatom fungerar som en liten kompass, men denna speciella form av Fe ₂ O ₃ är inte magnetisk i vanlig bemärkelse att attraheras och attraheras av andra magneter:Det är en antiferromagnet, så att hälften av Fe-kompasserna pekar norrut och den andra hälften söderut.

Två år sedan, arbetar på Diamond på prover producerade vid University of Wisconsin, Madison, Radaellis Oxford-grupp upptäckte den magnetiska motsvarigheten till kosmiska strängar i Fe ₂ O ₃ , och avbildade dem med ett kraftfullt röntgenmikroskop. Dessa små föremål, känd som meroner, är magnetiska virvlar där kompassnålen roterar (NESW eller NWSE) när man förflyttar sig från en atom till nästa i en nanometerskala.

"Med facit i hand, att hitta magnetiska meroner var ett stort lyckokast, eftersom vi vet att de är mycket svåra att stabilisera under de förhållanden som användes för det första experimentet. För tidningen som publicerades idag, vi utökade vårt samarbete till National University of Singapore och lyckades hitta nyckeln till att skapa och förstöra magnetiska meroner efter behag, utnyttjar den matematiska motsvarigheten till "Big Bang-kylningen, ", tillägger Radaelli.

Teamet tror att det finns goda möjligheter att använda "rost" för att skapa supereffektiva datorer. Detta beror på att även om det är väldigt enkelt i arkitekturen, Fe ₂ O ₃ -baserad enhet där meroner och bimeroner hittades innehåller redan alla ingredienser för att manipulera dessa små bitar snabbt och effektivt - genom att flöda en liten elektrisk ström i en extremt tunn metallisk 'överrock'." enligt teamet, att kontrollera och observera rörelsen av meroner och bimeroner i realtid är målet för ett framtida röntgenmikroskopiexperiment som för närvarande befinner sig i planeringsfasen.

Att gå från grundforskning till tillämpad forskning innebär att kostnads- och kompatibilitetsöverväganden är av största vikt. Även om järnoxid är extremt rikligt och billigt, tillverkningsteknikerna som används av forskare vid Singapore och Madison är komplexa och kräver kontroll i atomskala. Dock, forskarna är optimistiska, eftersom de nyligen visade att det är möjligt att dra av ett tunt lager oxid från dess tillväxtmedium och fästa det nästan var som helst, samtidigt som de lämnar dess egenskaper i stort sett opåverkade. De säger att deras nästa steg kommer att vara design och tillverkning av proof-of-principe-enheter baserade på kosmiska strängar.