Fig. 1:Un singolo impulso laser di intensità appropriata può creare modelli di skyrmion casuali con una densità definita da un campo magnetico esterno (frecce sottili). Questo schema di scrittura laser di skyrmion può essere utilizzato come un "rimescolatore di skyrmion" ultraveloce per il calcolo stocastico. L'area circondata dalla linea tratteggiata segna il campo visivo del microscopio a raggi X utilizzato per vedere gli skyrmioni magnetici apparire come punti neri. Il campo visivo è di 1 µm di diametro. Credito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Più piccoli, Più veloce, più efficiente dal punto di vista energetico:i requisiti futuri per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati sono difficili da soddisfare e vengono continuamente esplorati concetti alternativi. Piccole trame magnetiche, i cosiddetti skyrmion, può diventare un ingrediente in nuovi dispositivi logici e di memoria. Per essere considerato per l'applicazione tecnologica, però, è necessario un controllo rapido ed efficiente dal punto di vista energetico di questi skyrmioni di dimensioni nanometriche
Gli skyrmioni magnetici sono patch di magnetizzazione simili a particelle che si formano come piccoli vortici in un materiale altrimenti uniformemente magnetizzato. In particolare film sottili ferromagnetici, gli skyrmion sono stabili a temperatura ambiente, con diametri fino a dieci nanometri. È noto che gli skyrmioni possono essere creati e spostati da brevi impulsi di corrente elettrica. Solo di recente è stato scoperto che anche brevi impulsi laser sono in grado di creare e annientare gli skyrmioni. A differenza degli impulsi di corrente elettrica, è possibile utilizzare impulsi laser di durata inferiore a picosecondi, fornendo un percorso più veloce e potenzialmente più efficiente dal punto di vista energetico per scrivere ed eliminare le informazioni codificate da skyrmions. Questo rende la scrittura laser skyrmion interessante per le applicazioni tecnologiche, inclusi dispositivi logici e di memoria alternativi.
Scienziati del Max Born Institute insieme ai colleghi dell'Helmholtz-Zentrum Berlin, Il Massachusetts Institute of Technology e altri istituti di ricerca hanno ora studiato in dettaglio come la creazione e l'annientamento di skyrmioni basati su laser possono essere controllati per promuovere l'applicazione del processo nei dispositivi. Per immaginare gli skyrmioni magnetici, il team di ricercatori ha utilizzato la microscopia a raggi X basata sull'olografia, che può rendere i minuscoli vortici di magnetizzazione con un diametro di 100 nanometri e meno visibili. Poter vedere gli skyrmions, sono stati in grado di studiare sistematicamente come il laser pulsa con diversa intensità, applicato in presenza di un campo magnetico esterno, può creare o eliminare skyrmion. Due tipi di sistemi di materiali, progettato per essere in grado di ospitare skyrmioni magnetici in primo luogo, sono stati indagati, entrambi costituiti da pile multistrato ultrasottili di materiali ferromagnetici e paramagnetici.
Fig 2:La densità degli skyrmioni in funzione del campo magnetico esterno. Quando il campo diminuisce, la densità di skyrmion aumenta in modo lineare. Le immagini dell'inserto mostrano esempi dei modelli skyrmion creati dall'impulso laser, il campo visivo è di 1,5 µm di diametro. Credito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Non a caso data la natura termica del processo, l'intensità del laser deve essere corretta. Però, esiste una finestra di intensità laser dipendente dal materiale che consente la creazione di un nuovo schema di skyrmion che è completamente indipendente dal precedente stato magnetico. Per intensità inferiori, un modello esistente rimane inalterato o viene modificato solo leggermente, per intensità molto più elevate, la struttura multistrato è danneggiata. Sorprendentemente, il numero di skyrmion creati all'interno dello spot laser non è influenzato dall'intensità del laser. Anziché, i ricercatori hanno scoperto che la presenza di un campo magnetico esterno consente di controllare con precisione la densità degli skyrmioni creati. La forza del campo esterno fornisce quindi una manopola per regolare il numero di skyrmion creati e consente persino l'annientamento degli skyrmion, come riportano gli scienziati sulla rivista Lettere di fisica applicata .
Hanno dimostrato la creazione controllata o l'annientamento di singoli skyrmioni all'interno del punto laser, come richiesto per applicazioni di archiviazione dati dove un singolo bit potrebbe essere rappresentato dalla presenza o meno di uno skyrmion. Di interesse per la potenziale applicazione del dispositivo, però, è anche la capacità di generare contemporaneamente una particolare densità di skyrmioni nell'area illuminata da un singolo impulso laser. Questo processo potrebbe essere utilizzato come "rimescolatore di skyrmion" nel calcolo stocastico. Là, i numeri sono rappresentati come stringhe di bit casuali di "0" e "1, " con la probabilità di incontrare "1" che codifica il valore numerico. I calcoli possono quindi essere effettuati tramite operazioni logiche tra singoli bit di numeri di ingresso diversi. Pur essendo chiaramente un approccio di nicchia rispetto alla logica digitale prevalente, il calcolo stocastico si è dimostrato promettente per problemi particolari come l'elaborazione delle immagini. Però, stringhe di bit completamente casuali sono necessarie come segnali di ingresso per i risultati corretti delle operazioni di calcolo stocastico. Come dimostrato in questo lavoro, tale "rimpasto" casuale di skyrmioni può essere eseguito otticamente su una scala temporale di picosecondi, compatibile con la velocità di clock del computer all'avanguardia e molto più veloce rispetto ai concetti precedenti basati sulla diffusione termica operante sulla scala temporale dei secondi.
