Scienziati della Far Eastern Federal University (FEFU) con collaboratori internazionali hanno proposto la scrittura magnetica diretta di skyrmioni, cioè., quasiparticelle magnetiche, e reticoli di skyrmion, all'interno del quale è possibile codificare, trasmettere, elaborare le informazioni e produrre modelli topologici con una risoluzione inferiore a 100 nanometri. Questo ha applicazioni per l'elettronica post-silicio miniaturizzata, nuove tecniche di crittografia topologica e data center verdi, potenzialmente riducendo significativamente il carico sull'ecosistema terrestre. Un articolo correlato appare in ACS Nano .

I team scientifici internazionali sono alla ricerca intensiva di materiali e approcci alternativi per sostituire i dispositivi elettronici al silicio basati sulla tecnologia CMOS (semiconduttori di ossido di metallo complementari). Il principale svantaggio di questa tecnologia è la dimensione dei transistor contemporanei basati su di essa. L'impossibilità fisica di miniaturizzare ulteriormente potrebbe ostacolare il futuro sviluppo dell'industria elettronica.

I materiali magnetici a film sottile con strati da uno a diversi nanometri di spessore costituiscono alternative promettenti ai transistor CMOS. All'interno di questi materiali, skyrmions, strutture magnetiche non banali, si formano a determinate condizioni.

Nello studio, i ricercatori affermano di aver progettato array stabili e ravvicinati di skyrmioni utilizzando il campo magnetico locale di una sonda per microscopio a forza magnetica per influenzare una struttura magnetica a film sottile.

Così, il team ha aperto la strada alla nanolitografia topologica, ottenere modelli topologici su scala nanometrica in cui ogni singolo skyrmion agisce come un pixel, come nella fotografia digitale. Tali pixel skyrmion non sono visibili nel campo ottico, e per decodificarli o crearli è necessario un microscopio a forza magnetica.

"Gli skyrmioni guidati da impulsi di corrente possono essere usati come elementi di base per imitare il potenziale d'azione dei neuroni biologici per creare chip neuromorfici. Matrici di chip con ogni minuscolo elemento neuronale che comunica con un altro mediante lo spostamento e l'interazione degli skyrmioni avranno efficienza energetica e alta potenza di calcolo, " afferma il vicepresidente della FEFU per la ricerca Alexander Samardak, uno degli autori dell'articolo. "Un altro campo interessante è la crittografia visiva o topologica. In tal caso, un messaggio è crittografato come un modello topologico, che è un insieme di skyrmioni ordinati. Decifrare un tale messaggio richiederà, primo, conoscenza delle coordinate dell'immagine su scala nanometrica e, secondo, la disponibilità di strumenti speciali come un microscopio a forza magnetica con elevata sensibilità ai campi vaganti di skyrmioni. Il tentativo di hackerare il messaggio con parametri selezionati in modo errato per la lettura dell'immagine topologica porterà alla sua distruzione. Attualmente, circa 25 MB di informazioni possono essere registrati su un millimetro quadrato di una sottile pellicola magnetica. Riducendo la dimensione degli skyrmioni a 10 nm, una capacità di 2,5 Gb/mm ² può essere raggiunto."

Una limitazione dell'approccio è la velocità di registrazione delle informazioni con campi magnetici di punti locali. È ancora molto lento, che frena l'approccio dall'implementazione di massa.

Alexander Samardak ha detto che il team ha imparato a regolare le dimensioni e la densità dell'impaccamento di skyrmion, controllare la fase di scansione (una distanza tra due linee di scansione adiacenti) con una sonda del microscopio a forza magnetica. Amplia l'ambito di possibili applicazioni future. Per esempio, se gli skyrmioni hanno una dimensione inferiore a 100 nanometri, possono essere usati come base per il calcolo del serbatoio, logica riconfigurabile e cristalli magnonici, che sono alla base dei processori magnonici e dei dispositivi di comunicazione a microonde nella gamma sub-THz e THz. Tali dispositivi saranno molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto all'elettronica esistente. Ciò apre la strada a futuri data center ecologici e ad alte prestazioni.

"Gli skyrmioni possono essere vettori di bit di informazione. Ciò è possibile grazie alla polarizzazione degli skyrmioni, cioè., posizioni in alto o in basso, che si riferisce a zero e uno. Quindi, gli skyrmion possono essere elementi di base per la memoria magnetica o da pista. Tali dispositivi, a differenza dei dischi magnetici rigidi, non avrà parti meccaniche; bit di informazioni si muoveranno da soli. Inoltre, matrici bidimensionali ordinate di skyrmioni possono svolgere il ruolo di cristalli magnonici artificiali, attraverso cui si propagano le onde di spin, trasmettere informazioni da una sorgente a un ricevitore senza riscaldare gli elementi di lavoro, " afferma Alexey Ognev capo del Laboratorio FEFU per le tecnologie a film sottile e il primo autore dell'articolo.

Utilizzando la tecnologia sviluppata, gli scienziati hanno in programma di ridimensionare le dimensioni degli skyrmion e sviluppare dispositivi pratici basati su di essi.