I ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) sono riusciti a sviluppare un componente chiave di un nuovo concetto di elaborazione non convenzionale. Questo componente impiega le stesse strutture magnetiche che vengono ricercate in relazione alla memorizzazione di dati elettronici su registri di spostamento noti come piste. In questo, i ricercatori studiano i cosiddetti skyrmioni, che sono strutture magnetiche simili a vortici, come potenziali unità di bit per la memorizzazione dei dati. Però, il nuovo approccio recentemente annunciato ha una particolare rilevanza per il calcolo probabilistico. Questo è un concetto alternativo per l'elaborazione elettronica dei dati in cui le informazioni vengono trasferite sotto forma di probabilità anziché nella forma binaria convenzionale di 1 e 0. Il numero 2/3, ad esempio, potrebbe essere espresso come una lunga sequenza di 1 e 0 cifre, dove 2/3 sono uno e 1/3 sono zero. L'elemento chiave che mancava in questo approccio era un rimescolatore di bit funzionante, cioè., un dispositivo che riordina casualmente una sequenza di cifre senza modificare il numero totale di 1 e 0 nella sequenza. Questo è esattamente ciò che gli skyrmion dovrebbero ottenere. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nanotecnologia della natura .

I ricercatori hanno utilizzato sottili pellicole metalliche magnetiche per le loro indagini. Questi sono stati esaminati a Magonza sotto uno speciale microscopio che ha reso visibili gli allineamenti magnetici nelle pellicole metalliche. I film hanno la particolare caratteristica di essere magnetizzati in allineamento verticale al piano del film, che rende possibile in primo luogo la stabilizzazione degli skyrmioni magnetici. Gli Skyrmioni possono essere fondamentalmente immaginati come piccoli vortici magnetici, simili a spirali di capelli. Queste strutture mostrano una cosiddetta stabilizzazione topologica che le protegge dal collasso troppo facile, poiché una spirale di capelli resiste a essere facilmente stirata. È proprio questa caratteristica che rende gli skyrmion molto promettenti quando si tratta di essere utilizzati in applicazioni tecniche come, in questo caso particolare, memorizzazione delle informazioni. Il vantaggio è che la maggiore stabilità riduce la probabilità di perdita di dati involontaria e garantisce il mantenimento della quantità complessiva di bit.

Rimescolamento per l'organizzazione della sequenza di dati

Il rimescolatore riceve un numero fisso di segnali di ingresso come 1 e 0 e li mescola per creare una sequenza con lo stesso numero totale di cifre 1 e 0, ma in un ordine casuale riorganizzato. È relativamente facile raggiungere il primo obiettivo di trasferire la sequenza di dati skyrmion al dispositivo, perché gli skyrmioni possono essere spostati facilmente con l'aiuto di una corrente elettrica. Però, i ricercatori che lavorano al progetto ora sono riusciti per la prima volta a ottenere la diffusione termica dello skyrmion nel rimescolatore, rendendo così i loro movimenti esatti completamente imprevedibili. È questa imprevedibilità, a sua volta, che ha permesso di riorganizzare casualmente la sequenza di bit senza perderne nessuno. Questo componente di nuova concezione è il pezzo precedentemente mancante del puzzle che ora rende il calcolo probabilistico un'opzione praticabile.

Collaborazione interdisciplinare di successo

"C'erano tre aspetti che hanno contribuito al nostro successo. In primo luogo, siamo stati in grado di produrre un materiale in cui gli skyrmioni possono muoversi solo in risposta a stimoli termici. In secondo luogo, abbiamo scoperto che possiamo immaginare gli skyrmioni come particelle che si muovono in modo simile al polline in un liquido. E alla fine, siamo stati in grado di dimostrare che il principio del rimescolatore può essere applicato in sistemi sperimentali e utilizzato per calcoli di probabilità. La ricerca è stata intrapresa in collaborazione tra vari istituti e sono lieto di aver potuto contribuire al progetto, " ha sottolineato il dottor Jakub Zázvorka, autore principale della pubblicazione. Zázvorka ha condotto le sue ricerche sulla diffusione dello skyrmion come ricercatore associato nel team guidato dal professor Mathias Kläui e nel frattempo sta lavorando all'Università di Praga.

"È molto interessante che i nostri esperimenti siano stati in grado di dimostrare che gli skyrmioni topologici sono un sistema adatto per indagare non solo problemi relativi alla spintronica, ma anche alla fisica statistica. Grazie alla MAINZ Graduate School of Excellence, siamo stati in grado di riunire qui diversi campi della fisica che finora di solito funzionano da soli, ma ciò potrebbe chiaramente trarre vantaggio dal lavorare insieme. Non vedo l'ora in particolare di una futura collaborazione nel campo delle strutture di spin con i team di fisica teorica dell'Università di Mainz che presenteranno il nostro nuovo TopDyn - Dynamics and Topology Center, " ha sottolineato Mathias Kläui, Professore all'Istituto di Fisica della JGU e Direttore della Graduate School of Excellence Materials Science a Mainz (MAINZ).

"Possiamo vedere da questo lavoro che il campo della spintronica offre interessanti nuove possibilità hardware per quanto riguarda l'intelligenza algoritmica, un fenomeno emergente oggetto di indagine anche presso il JGU Emergent Algorithmic Intelligence Center, di recente fondazione, " ha aggiunto la dott.ssa Karin Everschor-Sitte, membro del comitato direttivo del centro di ricerca e capo del gruppo di ricerca Emmy Noether TWIST presso il JGU Institute of Physics.