Скирмионы — новое направление для создания микроэлектроники следующего поколения
Крошечные магнитные вихри помогут создатькомпьютернуюпамять на новых принципахс низким энергопотребением.
Магниты создают невидимые поля, которые притягивают определенные материалы. Как простой пример — магниты на холодильник. Но гораздо важнее для нашей повседневной жизни то, что магниты могут хранить данные в компьютерах. Используя направление магнитного поля (скажем, вверх или вниз), каждый из микроскопических стержневых магнитов может хранить один бит памяти как ноль или единицу, что лежит в основе кода длякомпьютера.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) предполагают заменить стержневые магниты крошечными магнитными вихрями. Размер такого вихря составляет миллиардные доли метра. Эти вихри, которые образуются в некоторых магнитных материалах, называются скирмионами. Однажды они могут положить начало для нового поколения микроэлектроники,блвгодаря созданию памяти на нвых принципах в высокопроизводительных компьютерах.
Стержневые магниты в памяти компьютера подобны шнуркам, завязанным одним узлом; почти не требуется энергии, чтобы их развязать», — говорит Артур Маккрей, аспирант Северо-Западного университета, работающий в Аргоннском отделе материаловедения (MSD). И любые стержневые магниты, когда выходят из строя из-за какого-либо нарушения, влияют на другие.
«Скирмионы, напротив, подобны шнуркам, завязанным двойным узлом. Как бы сильно вы ни тянули за шнурок, шнурки остаются завязанными». Скирмионы оказались чрезвычайно устойчивы к любым разрушениям. Еще одной их важной особенностью является то, что ученые могут контролировать их поведение, изменяя температуру или применяя электрический ток.
Пока что ученые планируют провести массу экспериментов, чтобы узнать о поведении скирмионов в различных условиях. Чтобы лучше изучить их, команда под руководством Аргонна разработала программу на базе искусственного интеллекта (ИИ), которая работает вкупе с мощным электронным микроскопом в Центре наноразмерных материалов (CNM), Управления науки Министерства энергетики в Аргонне. Микроскоп может визуализировать скирмионы в образцах при очень низких температурах.
Магнитный материал представляет собой смесь железа, германия и теллура. По структуре этот материал похож на стопку бумаги с множеством листов. Стопка таких листов содержит множество скирмионов, и один лист можно снять сверху и проанализировать его на CNM.
Электронный микроскоп CNM в сочетании с алгоритмами искусственного интеллекта, называемых машинным обучением, позволил нам визуализировать скирмионы в таких листах и их поведение при разных температурах» Наше самое интригующее открытие заключалось в том, что скирмионы расположены в строго упорядоченном порядке при температуре минус 60 градусов по Фаренгейту и выше», — сказал Чарудатта Фатак, материаловед и руководитель группы в MSD.
«Но по мере того, как мы охлаждали образец, расположение скирмионов менялось». Они вели себя, как пузырьки в пивной пене, некоторые скирмионы становились больше, некоторые меньше, некоторые сливались, а некоторые исчезали. При минус 270 слой достиг состояния почти полного беспорядка, но порядок вернулся, когда температура вернулась при температуре минус 60. Этот переход порядок-беспорядок при изменении температуры можно было бы использовать в будущей микроэлектронике для организации памяти на новых принципах
По нашим оценкам, энергоэффективность скирмионов может быть в 100–1000 раз выше, чем у текущей памяти в высокопроизводительных компьютерах, используемых в исследованиях. Энергоэффективность крайне необходимый фактор для следующего поколения микроэлектроники. На сегодняшнюю микроэлектронику уже приходится примерно 10% затрат мировой электроэнергии. И это число может удвоиться к 2030 году. Поэтому создание энергоэффективной электроники — злоба дня. Несомненно, что применением скирмионов — это радикально новый взгляд на микроэлектронику, но он является ключом к устройствам следующего поколения.