Внезапный прорыв в изучении элементарных частиц позволит создать супербыстрые компьютеры и сверхобъемные накопители данных
Вихри магнитных моментов электронных спинов ученые считают многообещающими носителями информации в спинтронных устройствах. Благодаря своему размеру и низким энергозатратам скирмионы можно использовать для компьютерных вычислений и хранения информации.
Рекорд по скорости
Международная группа ученых под руководством специалистов из Национального центра научных исследований (CNRS) достигла прорыва в исследовании магнитных нанопузырьков, известных как скирмионы.
В 2009 г. исследователи обнаружили интересную особенность отдельных атомов. Их спины закручивались в воронки или вихри. Подобная структура получила название скирмион, в честь британского физика Тони Скирме (Tony Skyrme), который еще в далеком 1962 г. описал математическую модель вихревых спинов.
В 2024 г. исследователи из CNRS выяснили, что скирмионы могут перемещаться с помощью электрических токов, достигая рекордных скоростей до 900 м/с. Результаты исследования приближают создание более производительных и менее энергоемких вычислительных устройств, считают ученые. Предполагается, что эти нанопузырьки станут будущими битами в компьютерной памяти и откроют новые возможности для обработки информации в электронных устройствах. Их крошечный размер обеспечивает большую вычислительную мощность и емкость для хранения информации, а также низкое потребление энергии.
До 2024 г. нанопузырьки двигались со скоростью не более 100 м/с, что слишком медленно для вычислительных приложений. Однако благодаря использованию антиферромагнитного материала в качестве среды ученым удалось заставить скирмионы двигаться в 10 раз быстрее, чем наблюдалось ранее. Эти результаты, опубликованные 19 марта 2024 г. в журнале Science, открывают новые перспективы для разработки более производительных и менее энергоемких вычислительных устройств.
Данное исследование является частью национальной исследовательской программы SPIN5, которая поддерживает инновационные исследования в области спинтроники с целью содействия развитию более гибкого и долговечного цифрового мира.
Скирмионы
Скирмионы состоят из нескольких десятков атомов и имеют ширину всего в несколько нанометров (нм). Для сравнения, толщина пряди человеческого волоса достигает 100 тыс. нм. Скирмион генерирует себя из силовых линий магнитного поля при движении через среду. Квазичастица состоит из элементарных наномагнитов, называемых спинами, которые наматываются на магнитные линии, образуя вихревую, спиральную структуру, напоминающую тугой узел.
В 2021 г. физики впервые наблюдали трехмерный скирмион в пучке света, представляющем собой суперпозицию лево- и правополяризованных электромагнитных волн со специально подобранными амплитудами и фазами. Скирмионы существуют в разных теориях поля, описывающих различные физические явления. Трехмерные скирмионы в низкоэнергетической хромодинамике используются для описания барионов, а их двумерные аналоги часто встречаются в физике конденсированного состояния вещества. По информации Nature Communications, ученые также рассматривают образование скирмионов в ранней Вселенной, как возможное объяснение аномалий в неоднородности космического микроволнового фона.
Ученые уже давно предполагают, что скирмионы могут использоваться для хранения данных в связи с тем, что наличие скирмиона кодирует - единицу, а его отсутствие - ноль. Например, исследователи из IBM использовали скирмионы в новом типе энергонезависимой памяти Racetrack memory, где и столкнулись в итоге с удивительными физическими явлениями. Как оказалось на практике, процесс воздействия на магнитные спины электронов в носителе информации имеет массу и, следовательно, инерционен.
Носитель памяти Racetrack memory - это тончайшая нанопроволочка из пермаллоя - материала, весьма чувствительного к магнитному полю. Подавая на проволочку серию импульсов, разработчики научились передвигать по ней магнитные домены. Последние формировались в момент воздействия магнитным полем записывающей головки на магнитные спины электронов в проволоке. Изменение направления магнитного поля в головке меняло ориентацию спинов на противоположную. Сюрприз для исследователей из IBM оказался в том, что движение доменов не начиналось сразу после подачи импульса и также не прекращалось после снятия управляющего напряжения. Предыдущие исследования также указывали на то, что скирмионы являются кандидатами на создание кубитов, или квантовых битов, в квантовых компьютерах.
Моделирование
В новом исследовании, опубликованном 19 апреля 2024 г., ученые утверждают, что скирмионы могут быть использованы для хранения информации в новом типе универсальной памяти. Такой компонент объединит в себе лучшее из того, что есть в современных компьютерах - кратковременную память, например, память с произвольным доступом (RAM), и флеш-память, например, твердотельные накопители (SSD) или жесткие диски.
На апрель 2024 г. оперативная память работает быстро, но занимает много места и нуждается в постоянном питании, а значит, данные стираются при выключении компьютера. Флэш-память, в свою очередь, обладает высокой плотностью и может сохранять данные без питания, но скорость передачи данных в ней гораздо ниже, чем в оперативной памяти. Все они используют электроны в качестве битов.
В исследовании ученые утверждают, что скирмионы могут быть использованы вместо электронов в качестве нового типа битов, которые могут устранить эти ограничения.
«Преимущество магнитных скирмионов в том, что они сочетают в себе нестабильность, а именно постоянное хранение информации без потребления энергии, быстрое манипулирование и высокую плотность! Ранее скирмионы передвигались со скоростью не более 100 м/с (примерно 225 м/ч), что слишком медленно, чтобы конкурировать с современными технологиями. Это важный шаг для устройств на основе скирмионов», - сказал ведущий автор исследования и научный сотрудник CNRS Оливье Булле (Olivier Boulle).
Ученые ускорили нанопузырьки, пропустив их через антиферромагнитный материал с током, и вычислили скорость, измерив, сколько времени квазичастицы прошли через материал с помощью магнитной микроскопии с очень высоким пространственным разрешением.
Постоянные магниты возникают в результате ферромагнетизма, а антиферромагнетизм - это тип магнетизма, при котором соседние ионы ведут себя как крошечные магниты, выстраивающиеся в антипараллельном порядке по всему материалу. Антиферромагнитные слои, которые они использовали, состояли из двух ферромагнитных слоев, таких как кобальт, разделенных толстым немагнитным слоем с противоположной намагниченностью.
Моделирование в рамках этого исследования показало, что скирмионы могут не только хранить данные, но и выполнять вычисления, добавил Булле. Например, по его словам, его команда недавно продемонстрировала, что с их помощью можно выполнять логические операции, и в настоящее время исследователи пытаются использовать их в базовом чипе искусственного интеллекта (ИИ).
По словам ученых, если их использовать в будущих исследованиях, скирмионы могут стать основой компонента, сочетающего в себе функциональность центрального процессора (CPU) и возможности универсальной памяти. Такой компонент может привести к созданию гораздо более быстрых машин, чем те, которые пользователи имеют на апрель 2024 г., поскольку данным не нужно будет перемещаться между центральным процессором и различными компонентами памяти, что позволит избежать узкого места в скорости обработки.