2020: Ученые ДВФУ предложили способ создания скирмионов
20 ноября 2020 года стало известно о том, что ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с зарубежными коллегами предложили способ создания скирмионов — магнитных квазичастиц — и скирмионных решеток, с помощью которых можно кодировать, передавать, обрабатывать информацию и создавать топологические изображения с разрешением менее 100 нанометров. Это путь к миниатюрной посткремниевой электронике, методам топологической криптографии и «зеленым» центрам обработки данных, нагрузка которых на экосистему Земли может снизиться. Статья об этом опубликована в ACS Nano.
Ученые ДВФУ предложили способ создания скирмионов
Как пояснялось, скирмионы – это нетривиальные магнитные структуры, которые при определенных условиях зарождаются в тонкопленочных магнитных материалах с толщиной слоев от одного до нескольких нанометров. Ученые сформировали плотноупакованные стабильные массивы скирмионов, воздействуя на тонкопленочную магнитную структуру локальным магнитным полем зонда магнито-силового микроскопа.
Команда впервые реализовала топологическую нанолитографию, получив наноразмерные топологические изображения, в которых каждый отдельный скирмион играет роль пикселя, как в цифровой фотографии. Скирмионы-пиксели не видны в оптическом диапазоне и для их дешифровки, как и для создания, нужен магнито-силовой микроскоп.
|
| Скирмионы, движимые импульсами тока, можно использовать для создания нейроморфных чипов в качестве базовых элементов, имитирующих потенциал действия биологических нейронов. Массивы чипов, в которых каждый крошечный элемент-нейрон сможет связываться с другим элементом посредством движущихся и взаимодействующих скирмионов, будут обладать энергоэффективностью и вычислительной мощностью. Еще одним интересным применением может стать визуальная (или топологическая) криптография, в которой сообщение шифруется посредством топологического изображения из набора упорядоченных скирмионов. Для расшифровки такого послания потребуется, во-первых, знание координат наноразмерного изображения и, во-вторых, наличие специального оборудования в виде магнито-силового микроскопа с надлежащей чувствительностью к полям рассеяния скирмионов. В случае попытки «взлома» послания неправильно подобранные параметры для прочтения топологического изображения приведут к его уничтожению. На ноябрь 2020 года на квадратном миллиметре магнитной пленки можно записать примерно 25 Мб информации. При уменьшении размера скирмионов до 10 нм, можно получить емкость 2,5 Гб/мм2.
рассказал Александр Самардак, один из авторов идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе |
|
Ограничение подхода состоит в том, что запись информации посредством приложения локальных точечных магнитных полей пока что очень медленная процедура, которая не подходит для массового внедрения. Метавселенная ВДНХ 3.1 т
Александр Самардак рассказал, что, управляя размером шага сканирования зондом силового магнитного микроскопа, ученые смогли контролировать размер и плотность упаковки скирмионов. Например, если размер скирмионов будет менее 100 нанометров, их можно использовать в качестве базы для резервуарных вычислений (reservoir computing), перестраивающейся логики и магнонных кристаллов — основы магнонных процессоров и коммуникационных СВЧ устройств суб-ТГц и ТГц диапазона, которые будут более энергоэффективными по сравнению с существующей электроникой. Технология открывает путь к будущим «зеленым» центрам обработки данных.
|
| Скирмион может играть роль носителя бита информации: в зависимости от направления поляризации (вверх либо вниз) возможны два состояния – 0 или 1 соответственно. На основе скирмионов можно создать магнитную память, в которой нет механических частей, как в жестких магнитных дисках, а двигаются сами биты информации. Более того, упорядоченные двумерные массивы скирмионов могут играть роль искусственных магнонных кристаллов, по которым распространяются спиновые волны, а не электрический ток, передающие информацию от источника к приемнику без нагрева рабочих элементов.
поведал Алексей Огнев, первый автор статьи, профессор, заведующий лабораторией пленочных технологий ДВФ
|
|
Применяя разработанную технологию, ученые планируют уменьшать размеры скирмионов и работать над реализацией практических устройств на их основе.
Международные научные команды ведут поиск альтернативных материалов и подходов для замещения устройств кремниевой электроники, построенной на КМОП-технологии (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Транзисторы, созданные по этой технологии, уже физически невозможно уменьшать, и дальнейшее развитие электронной промышленности под вопросом.
Одна из перспективных альтернатив КМОП-транзисторам — тонкопленочные магнитные материалы с толщиной слоев от одного до нескольких нанометров, в которых и зарождаются скирмионы.
Ранее ученые Школы естественных наук ДВФУ вместе с иностранными коллегами предложили метод управления взаимодействием Дзялошинского-Мория в тонкопленочных магнитных структурах с помощью контролируемых шероховатостей.
Смотрите также