Отключване на рецептата за дизайнерски магнитни частици за следващо поколение компютърни технологии


Отключване на рецептата за дизайнерски магнитни частици за следващо поколение компютърни технологии

Еволюцията на характеристиките на skyrmion с ключовия параметър на материала 𝜅 за многослойни филми. Кредит: A*STAR

Традиционните компютри все повече се заменят от техники за изкуствен интелект (AI) за постигане на възможности за разпознаване на модели в много области, включително здравеопазване, производство и персонални компютри. Нарастващата сложност на „невронните мрежи“, необходими за възможностите на AI, причинява експоненциално нарастване на потреблението на енергия. В лицето на непрекъснато намаляващите енергийни бюджети, има нарастваща нужда от обработка на данни в точката за събиране, известна като край, особено за приложения в реално време.

Въведете малки, но могъщи скирмиони – малки, навиващи се подредби от електронни завъртания, които се образуват в определени магнитни тънки филми. Тези енергийно ефективни носители на информация са стабилни при стайна температураи може да се движи от електрически токове, за да имитира потенциално как сигналите се изпращат и получават от биологичните нервни клетки в човешкия мозък.

При изключително малки наномащабни размери, скирмионите могат да бъдат 100 пъти по-малки от магнитните области, използвани в традиционните твърди дискове, което прави потенциален скирмион-базирани устройства изключително компактни. Това ги прави обещаващи кандидати за използване в бъдещи изчислителни устройства за реализиране на невронни мрежови приложения с ниска консумация на енергия.

„Магнитните скирмиони са уникално позиционирани, защото са от научен интерес, стабилни са в съвместими с промишлеността материали и среди и имат приложения при водещи изчислителни проблеми“, каза д-р Xiaoye Chen от екипа на Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) в Институт за изследване на материалите и инженерство на A*STAR (IMRE).

„С превъзходни характеристики като наномащабен размер, висока стабилност и енергийно ефективна работа, магнитни скирмиони може да бъде мощно решение за разработване на иновативни реконфигурируеми невронни изчислителни технологии“, добави д-р Ми-Йонг Им, учен в Центъра за рентгенова оптика (CXRO) на Националната лаборатория на Лорънс Бъркли.

Запознаване със skyrmions: Какво ги прави такива, каквито са?

За да се проектират skyrmions с желани характеристики, подходящи за специфичните нужди на устройството, ключово изискване е да се разбере какво свойства на материала засяга тяхната структура и стабилност.

Изследователи от IMRE на A*STAR и Institute of High Performance Computing (IHPC), Националния университет на Сингапур (NUS) и CXRO на Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) си сътрудничат, за да изследват факторите, влияещи върху ключовите физически характеристики на skyrmions в тънки магнитни филми, в проучване, публикувано в Разширена наука през януари 2022 г.

Отключване на рецептата за дизайнерски магнитни частици за следващо поколение компютърни технологии

Персонализирани skyrmions, пригодени за специализирани приложения. Кредит: A*STAR

Трансформиране на характеристиките на skyrmions: Настройка на магическия параметър

Екипът използва магнитна тънкослойна платформа, включваща последователно подреждане на атомно тънки метални слоеве, която преди това беше разработена в A*STAR. Тази многослойна платформа уникално позволява на магнитните взаимодействия, управляващи свойствата на skyrmion, да бъдат директно контролирани чрез промяна на дебелината на съставните слоеве.

Екипът изследва спиновите структури, образувани в тези тънки филми, използвайки набор от специализирани методи за магнитно изобразяване, включително електронна микроскопия и мека рентгенова микроскопия, както и симулационни техники като ab-initio и микромагнитни изчисления.

Интересното е, че екипът установи, че няколко ключови свойства на магнитните скирмиони могат да бъдат настроени чрез промяна на един параметър на материала, 𝜅, който в общи линии представлява „лекотата“ на създаване на спинови структури в материала.

Първо, увеличаване на 𝜅-стойност от нула причинява рязка промяна в разположението на намотките на спиновете, образуващи скирмиона, известна като неговата “спиралност”, която след това се фиксира за по-големи стойности на 𝜅.

На следващо място, увеличаване 𝜅 променя еластичността на skyrmions или “свиваемостта”. За по-малки 𝜅– стойности, скирмионите могат лесно да се свиват и разширяват, подобно на сапунени мехури. Но за по-големи 𝜅– стойности, те са много компактни, като билярдни топки.

И накрая, увеличаването на 𝜅 допълнително променя начина, по който скирмионите се генерират от удължени, криволичещи магнитни домейни, наречени „ивици“. За по-малки 𝜅-стойности, ивиците се свиват в единични skyrmions, докато за по-големи 𝜅-стойности, една ивица може да се раздели или да се “раздели” на множество скирмиони.

Като цяло, работата предоставя базирана на материали рамка за контролиране на свойствата на skyrmion за бъдеща употреба в устройства.

Отключване на рецептата за дизайнерски магнитни частици за следващо поколение компютърни технологии

Ефект от повишаване на температурата върху прехода от лента към скирмион. Кредит: A*STAR

Увеличаване на топлината: От райе до скирмиони

В последващо проучване, публикувано в Приложен е физически преглед през април 2022 г. екипът използва комбинация от техники за магнитометрия, изображения и симулация, за да изследва температурната зависимост на прехода от лента към скирмион.

Тяхната работа установява, че с повишаване на температурата всяка ивица се разделя или дели на по-голям брой скирмиони, което води до увеличаване на плътността на скирмионите. Такова знание за въздействието на температурата върху skyrmions предлага възможности за бъдещо технологично развитие, където контролирани температурни цикли могат да се използват за ефективно генериране на skyrmion в бъдещи неконвенционални компютърни приложения.

Сключване на сделката: Персонализирани skyrmions, оптимизирани за производителност

С двете проучвания, предоставящи цялостна рамка за контролиране на свойствата на skyrmion, създаването на персонализирани skyrmion с характеристики, пригодени за различни приложения, е по-близо до реалността. Например, електрическите устройства могат да използват или размер на skyrmion, или число на skyrmion за извършване на логически операции, които биха могли да използват съответно материали с ниско 𝜅 или високо 𝜅. След време това може да даде възможност за разработване на skyrmionic устройства за изчисления от следващо поколение.


Топлинният поток контролира движението на скирмиони в изолационен магнит


Повече информация:
Xiaoye Chen et al, Разкриване на нововъзникващите черти на хиралните спинови текстури в магнитни многослойни слоеве, Разширена наука (2022). DOI: 10.1002/advs.202103978

Xiaoye Chen et al, Термична еволюция на механизма за образуване на Skyrmion в хирални многослойни филми, Приложен е физически преглед (2022). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.044039

Цитат: Отключване на рецептата за дизайнерски магнитни частици за компютърни технологии от следващо поколение (2022 г., 4 август), извлечено на 5 август 2022 г. от https://phys.org/news/2022-08-recipe-magnetic-particles-technologies.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.