Новый подход к созданию компьютерной памяти

Что скирмионы могут для нас сделать? Эти призрачные квантовые кольца, до сих пор появлявшиеся только в экстремальных лабораторных условиях, могут стать основой для нового типа памяти компьютера, которая держит мертвой хваткой хранящиеся данные.

Теперь благодаря научно-исследовательской команде, включавшей ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST), экзотические кольцевые магнитные эффекты были освобождены из плена глубокой заморозки с помощью простого метода, который создает магнитные скирмионы в обычных комнатных условиях. Достижение приближает скирмионы на шаг ближе к использованию в хранилищах данных в реальном мире, а также к другим новым магнитным и электронным технологиям.

Если у вас поверхностное знакомство с физикой частиц, вы можете ожидать, что скирмионы должны быть частицами, – в конце концов, они звучат очень похоже на фермионы, класс частиц, который включает протоны и нейтроны. Но скирмионы не фундаментальные составляющие материи; они являются эффектами, названными в честь физика Tony Skyrme, впервые их описавшего в 1962 г. До недавнего времени магнитные скирмионы можно было наблюдать только при очень низких температурах и при сильных магнитных полях.

Магнитные моменты в каждом отдельном атоме в магните все выстраиваются в одном и том же направлении. Но в экстремальных условиях в некоторых магнитных материалах (таких как MnSi или FeCoSi) вместо этого могут возникать области, где моменты искривляются и закручиваются, образуя кольцевые конфигурации. Эти необычные объекты обладают эластичностью, что защищает их от внешнего воздействия. Это значит, что данные, которые они хранят, не будут легко повреждены, даже под воздействием паразитных магнитных полей или физических дефектов в материале. В результате магнитные скирмионы представляют перспективную основу для систем компьютерной памяти и других наноэлектронных устройств.

Препятствием в использовании традиционных скирмионов были экстремальные лабораторные условия, необходимые для их формирования. До недавнего времени ученые наблюдали магнитные скирмионы только при низких температурах. В то время когда Дастин Гилберт (Dustin Gilbert) из NIST был аспирантом в лаборатории Кай Лю в Калифорнийском университете, Дэвис, он и Лю (Liu) не только разработали подход для создания этих квантовых объектов, но и получили их стабильные состояния при комнатной температуре без магнитного поля.

Создание скирмионов включает в себя размещение массивов крошечных намагниченных дисков кобальта на поверхности тонкой пленки из кобальта и палладия. Центр нейтронных исследований (NCNR) в NIST как раз разработал современный поляризационный нейтронный рефлектометр, который хорошо подходил для изучения их лабораторных результатов. В сотрудничестве с учеными из NCNR, команда использовала нейтроны, чтобы видеть сквозь диски, и обнаружила под ними скирмионы. Команда также получила изображения вращающихся конфигураций в дисковом массиве в Center for Nanoscale Science and Technology (CNST), NIST, и в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли.

По словам Гилберта, результаты должны заинтересовать исследователей в области спинтроники.

«Идея, которая уже обсуждалась, заключается в том, например, что вы могли бы просто поместить эти стабильные магнитные пучки в один линейный файл и читать свои данные. Преимущество здесь в том, что вам нужно гораздо меньше энергии для их размещения, чем при любом другом методе, предлагаемом для спинтроники, - сказал Гилберт. - То, что мы должны сделать дальше, так это выяснить, как заставить их перемещаться. Но сейчас мы можем начать изучение того, как мы могли бы использовать скирмионы в технологии – площадка открыта».

Намагниченный диск кобальта (красный), размещенный поверх тонкой кобальт-палладиевой пленки (светло-фиолетовый фон), может придать свою собственную кольцую конфигурацию магнитных моментов (оранжевый стрелками) нижележащей пленке, создавая скирмион в пленке (фиолетовые стрелки). Скирмион, который является стабильным при комнатной температуре, может быть полезен в системах компьютерной памяти