Fig. 1:En enda laserpuls med lämplig intensitet kan skapa slumpmässiga skyrmionmönster med en densitet som definieras av ett externt magnetfält (tunna pilar). Detta schema för laserskrivning av skyrmioner kan användas som en ultrasnabb "skyrmion-reshuffler" för stokastisk beräkning. Området som omges av den streckade linjen markerar synfältet för röntgenmikroskopet som används för att se de magnetiska skyrmionerna som svarta prickar. Synfältet är 1 µm i diameter. Kredit:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Mindre, snabbare, mer energieffektivt:framtida krav på datorer och datalagring är svåra att uppfylla och alternativa koncept utforskas kontinuerligt. Små magnetiska texturer, så kallade skyrmioner, kan bli en ingrediens i nya minnes- och logiska enheter. För att komma i fråga för teknisk tillämpning, dock, snabb och energieffektiv kontroll av dessa nanometerstora skyrmioner krävs
Magnetiska skyrmioner är partikelliknande magnetiseringsfläckar som bildas som mycket små virvlar i ett annars likformigt magnetiserat material. I synnerhet ferromagnetiska tunna filmer, skyrmioner är stabila vid rumstemperatur, med diametrar ner till tio nanometerområdet. Det är känt att skyrmioner kan skapas och förflyttas av korta pulser av elektrisk ström. Först nyligen upptäcktes att även korta laserpulser kan skapa och förinta skyrmioner. I motsats till elektriska strömpulser, laserpulser med varaktighet under pikosekunder kan användas, ger en snabbare och potentiellt mer energieffektiv väg för att skriva och radera information kodad av skyrmions. Detta gör laserskyrmion-skrivning intressant för tekniska tillämpningar, inklusive alternativa minnes- och logikenheter.
Forskare vid Max Born Institute tillsammans med kollegor från Helmholtz-Zentrum Berlin, Massachusetts Institute of Technology och ytterligare forskningsinstitutioner undersökte nu i detalj hur laserbaserad framställning och förintelse av skyrmioner kan kontrolleras för att främja tillämpningen av processen i enheter. För att avbilda de magnetiska skyrmionerna, teamet av forskare använde holografibaserad röntgenmikroskopi, vilket kan göra de små magnetiseringsvirvlarna med en diameter på 100 nanometer och mindre synliga. Att kunna se skyrmionerna, de kunde systematiskt studera hur laser pulserar med olika intensitet, appliceras i närvaro av ett externt magnetfält, kan skapa eller ta bort skyrmioner. Två typer av materialsystem, designad för att kunna ta emot magnetiska skyrmioner i första hand, undersöktes, båda består av ultratunna flerskiktsstaplar av ferromagnetiska och paramagnetiska material.
Fig 2:Tätheten av skyrmioner som funktion av det externa magnetfältet. När fältet minskar ökar skyrmiondensiteten på ett linjärt sätt. De infällda bilderna visar exempel på skyrmionmönster som skapas av laserpulsen, synfältet är 1,5 µm i diameter. Kredit:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Inte överraskande med tanke på processens termiska natur, laserintensiteten måste vara rätt. Dock, det finns ett materialberoende fönster med laserintensiteter som möjliggör skapandet av ett nytt skyrmionmönster som är helt oberoende av det tidigare magnetiska tillståndet. För lägre intensiteter, ett befintligt mönster förblir oförändrat eller endast något modifierat, för mycket högre intensiteter, flerskiktsstrukturen är skadad. Anmärkningsvärt, antalet skyrmioner som skapas i laserfläcken påverkas inte av laserintensiteten. Istället, forskarna fann att närvaron av ett externt magnetfält gör det möjligt att exakt kontrollera tätheten av skapade skyrmioner. Styrkan på det yttre fältet ger därför en ratt för att justera antalet skapade skyrmioner och möjliggör till och med förintelse av skyrmioner, som forskarna rapporterar i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .
De demonstrerade den kontrollerade skapandet eller förintelsen av enstaka skyrmioner i laserfläcken, som krävs för applikationer i datalagring där en enda bit sedan kan representeras av närvaron eller frånvaron av en skyrmion. Av intresse för potentiell enhetstillämpning, dock, är också förmågan att samtidigt generera en speciell täthet av skyrmioner i området som är upplyst av en enda laserpuls. Denna process skulle kunna användas som en "skyrmion-reshuffler" i stokastisk beräkning. Där, siffror representeras som strängar av slumpmässiga bitar av "0" och "1, " med sannolikheten att stöta på "1" som kodar talvärdet. Beräkningar kan sedan utföras via logiska operationer mellan enskilda bitar av olika ingångsnummer. Även om det helt klart är ett nischat tillvägagångssätt jämfört med den rådande digitala logiken, stokastisk datoranvändning har visat sig lovande för särskilda problem som bildbehandling. Dock, helt randomiserade bitsträngar behövs som insignaler för korrekta resultat av stokastiska beräkningsoperationer. Som framgår av detta arbete, sådan slumpmässig "omblandning" av skyrmioner kan utföras optiskt på en tidsskala av pikosekunder, kompatibel med den senaste datorns klockhastighet och mycket snabbare än i tidigare koncept baserade på termisk diffusion som arbetar på en tidsskala av sekunder.
