Ученые предлагают хранить закодированную информацию в скирмионах – магнитных квазичастицах

20 ноября 17:08NK

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с коллегами из других стран предлагают новый 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, новым методам топологической криптографии и «зеленым» высокопроизводительным центрам обработки данных, нагрузка которых на экосистему Земли может существенно снизиться. Статья об этом опубликована в ACS Nano.

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 высокой вычислительной мощностью, — говорит Александр Самардак, один из авторов идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе. — 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 высокой чувствительностью к полям рассеяния скирмионов. В случае попытки «взлома» послания неправильно подобранные параметры для прочтения топологического изображения приведут к его уничтожению. В настоящее время 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».

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.

Александр Самардак рассказал, что, управляя размером шага сканирования зондом силового магнитного микроскопа, ученые смогли контролировать размер и плотность упаковки скирмионов Это расширяет возможности будущих практических применений. 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 намного более энергоэффективными по сравнению с существующей электроникой. Технология открывает путь к будущим «зеленым» и высокопроизводительным 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», — говорит Алексей Огнев, первый автор статьи, профессор, заведующий лабораторией пленочных технологий ДВФУ.

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 инновационный метод управления взаимодействием Дзялошинского-Мория в тонкопленочных магнитных структурах с помощью контролируемых шероховатостей. Открытие важно для прогресса нового поколения электроники – спин-орбитроники и создания сверхбыстрой энергонезависимой компьютерной памяти.