L'evoluzione delle caratteristiche di skyrmion con il parametro materiale chiave 𝜅 per i film multistrato. Credito:A*STAR
L'informatica tradizionale viene sempre più sostituita dalle tecniche di intelligenza artificiale (AI) per ottenere capacità di riconoscimento dei modelli in molti domini, tra cui assistenza sanitaria, produzione e personal computer. La crescente complessità delle "reti neurali" richieste per le capacità di intelligenza artificiale provoca un aumento esponenziale del consumo di energia. A fronte di budget energetici sempre più ridotti, c'è una crescente necessità di elaborazione dei dati nel punto di raccolta, noto come edge, soprattutto per le applicazioni in tempo reale.
Entra in piccoli ma potenti skyrmion:minuscole disposizioni tortuose di spin di elettroni che si formano in certi film sottili magnetici. Questi vettori di informazioni ad alta efficienza energetica sono stabili a temperatura ambiente e possono essere spostati da correnti elettriche per simulare potenzialmente il modo in cui i segnali vengono inviati e ricevuti dalle cellule nervose biologiche nel cervello umano.
A dimensioni estremamente ridotte su nanoscala, gli skyrmion possono essere 100 volte più piccoli delle regioni magnetiche utilizzate nei tradizionali dischi rigidi, rendendo i potenziali dispositivi basati su skyrmion altamente compatti. Questo li rende candidati promettenti per l'uso in futuri dispositivi informatici per realizzare applicazioni di rete neurale a basso consumo energetico.
"Gli skyrmion magnetici sono posizionati in modo univoco perché sono di interesse scientifico, stabili in materiali e ambienti compatibili con l'industria e hanno applicazioni in problemi di calcolo all'avanguardia", ha affermato la dott.ssa Xiaoye Chen del team Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) a Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE) di A*STAR.
"Con caratteristiche superiori come le dimensioni su scala nanometrica, l'elevata stabilità e il funzionamento efficiente dal punto di vista energetico, gli skyrmion magnetici possono essere una potente soluzione per lo sviluppo di tecnologie innovative di calcolo neurale riconfigurabili", ha aggiunto il dott. Mi-Young Im, scienziato del personale presso il Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Ottica a raggi X (CXRO).
Conoscere gli skyrmion:cosa li rende come sono?
Per progettare skyrmion con le caratteristiche desiderate adatte alle esigenze specifiche del dispositivo, un requisito fondamentale è capire quali proprietà dei materiali influenzano la loro struttura e stabilità.
I ricercatori dell'IMRE di A*STAR e dell'Institute of High Performance Computing (IHPC), della National University of Singapore (NUS) e del CXRO del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) hanno collaborato per esplorare i fattori che influenzano le caratteristiche fisiche chiave degli skyrmioni in sottili campi magnetici film, in uno studio pubblicato su Advanced Science a gennaio 2022.
Skyrmion personalizzati su misura per applicazioni specializzate. Credito:A*STAR
Trasformare le caratteristiche degli skyrmion:ottimizzazione del parametro magico
Il team ha sfruttato una piattaforma magnetica a film sottile comprendente un impilamento sequenziale di strati metallici atomicamente sottili, che era stata precedentemente sviluppata presso A*STAR. Questa piattaforma multistrato consente in modo univoco di controllare direttamente le interazioni magnetiche che governano le proprietà di skyrmion variando lo spessore degli strati costituenti.
Il team ha studiato le strutture di spin formate in questi film sottili utilizzando una gamma di metodi specializzati di imaging magnetico, tra cui la microscopia elettronica e la microscopia a raggi X morbidi, nonché tecniche di simulazione come ab-initio e calcoli micromagnetici.
È interessante notare che il team ha scoperto che diverse proprietà chiave degli skyrmioni magnetici potrebbero essere regolate variando un singolo parametro del materiale, 𝜅, che rappresenta vagamente la "facilità" di creare strutture di spin all'interno del materiale.
Innanzitutto, aumentando il 𝜅 -valore da zero provoca un brusco cambiamento nella disposizione degli avvolgimenti degli spin che formano lo skyrmion, noto come "elicità", che viene quindi fissato per valori maggiori di 𝜅 .
Successivamente, aumentando 𝜅 cambia l'elasticità o la "comprimibilità" di Skyrmions. Per i più piccoli 𝜅 -valori, skyrmion possono facilmente rimpicciolirsi ed espandersi, proprio come le bolle di sapone. Ma per 𝜅 più grandi -valori, sono molto compatti, come palle da biliardo.
Infine, aumentando 𝜅 cambia ulteriormente il modo in cui gli skyrmion vengono generati da domini magnetici allungati e serpeggianti chiamati "strisce". Per i più piccoli 𝜅 -valori, le strisce si restringono in singoli skyrmion, mentre per 𝜅 più grandi -values, una striscia può dividersi o "fissione" in più skyrmion.
Nel complesso, il lavoro fornisce una struttura basata sui materiali per il controllo delle proprietà di skyrmion per un uso futuro all'interno dei dispositivi.
Effetto dell'aumento della temperatura sulla transizione da striscia a skyrmion. Credito:A*STAR
Alzare la temperatura:da stripe a skyrmion
In uno studio di follow-up pubblicato in Physical Review Applied nell'aprile 2022, il team ha utilizzato una combinazione di tecniche di magnetometria, imaging e simulazione per esplorare la dipendenza dalla temperatura della transizione da striscia a skyrmion.
Il loro lavoro ha stabilito che con l'aumento della temperatura, ogni striscia si divide o si scinde in un numero maggiore di skyrmion, portando ad un aumento della densità degli skyrmion. Tale conoscenza dell'impatto della temperatura sugli skyrmion offre possibilità per lo sviluppo tecnologico futuro, in cui i cicli a temperatura controllata possono essere utilizzati per la generazione efficiente di skyrmion nelle future applicazioni di calcolo non convenzionali.
La conclusione dell'accordo:Skyrmion personalizzati, ottimizzati per le prestazioni
Con entrambi gli studi che forniscono un quadro completo per il controllo delle proprietà di skyrmion, la creazione di skyrmion personalizzati con caratteristiche su misura per diverse applicazioni è più vicina alla realtà. Ad esempio, i dispositivi elettrici possono utilizzare la dimensione di skyrmion o il numero di skyrmion per eseguire operazioni logiche, che potrebbero utilizzare rispettivamente materiali a basso 𝜅 o alto 𝜅. A tempo debito, ciò potrebbe consentire lo sviluppo di dispositivi skyrmionic per l'informatica di prossima generazione. + Esplora ulteriormente
