Оптическая рандомизация ускорит стохастические вычисления в миллионы раз

Магнитные скирмионы — завихрения намагниченности, которые в некоторых тонких ферромагнитных пленках сохраняют стабильность при комнатной температуре — могут создаваться и перемещаться короткими импульсами электрического тока. Недавно было также обнаружено, что более быстрый и энергоэффективный способ записи и удаления информации, закодированной скирмионами, могут обеспечить лазерные импульсы длительностью менее пикосекунды.

Детальное исследование того, как с помощью лазера можно управлять созданием и уничтожением скирмионов, выполнили учёные из Института Макса Борна (MBI), Берлинского Центра Гельмгольца (HZB) и Массачусетского технологического института (MIT) с прицелом на применение в альтернативных устройствах памяти и логических устройствах.

Команда изучала скирмионы в двух типах материальных систем, образованных многими ультратонкими слоями ферромагнитных и парамагнитных материалов. Применение рентгеновской голографической микроскопии позволило наблюдать крошечные магнитные вихри диаметром до 100 нм.

Как сообщает статья в журнале Applied Physics Letters, учёными обнаружено определяемое материалом окно интенсивности лазерного излучения, которое позволяет создавать новый скирмионный узор, полностью независимый от предыдущего. Примечательно, что на количество скирмионов, создаваемых в лазерном пятне, влияет не интенсивность лазера, а сила внешнего магнитного поля.

Авторы продемонстрировали контролируемое создание или уничтожение одиночных скирмионов в лазерном пятне, требуемое для традиционных приложений цифрового хранения данных.

Кроме того, процесс одновременной генерации определенной плотности скирмионов можно использовать как «скирмионный перестановщик» в стохастических (вероятностных) вычислениях, которые оперируют строками случайных битов «0» и «1». Хотя такие вычисления являются нишевым подходом по сравнению с преобладающей цифровой логикой, они весьма перспективны для решения ряда важных задач, таких как обработка изображений.

Как было показано в этой работе, рандомизирующая «перетасовка» скирмионов может быть выполнена оптическим способом в течение пикосекунд, то есть намного быстрее, чем в предыдущих методах, основанных на тепловой диффузии и оперирующих периодами времени порядка секунды.