Крошечные магнитные водовороты могут превратить память в высокопроизводительные компьютеры.
Магниты создают невидимые поля, которые притягивают определенные материалы. Типичный пример — магниты на холодильник. Гораздо важнее для нашей повседневной жизни то, что магниты также 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 — на языке компьютеров.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) хотят заменить стержневые магниты крошечными магнитными вихрями. Такие крошечные, как миллиардные доли метра, эти вихри называются скирмионами, которые образуются в некоторых магнитных материалах . Они могли бы когда-нибудь возвестить новое поколение микроэлектроники для хранения памяти в высокопроизводительных компьютерах .
«Стержневые магниты в памяти компьютера подобны шнуркам, завязанным одним узлом: чтобы их развязать, почти не требуется энергии», — сказал Артур Маккрей, аспирант Северо-Западного университета, работающий в Аргоннском отделе материаловедения (MSD). И любые стержневые магниты, неисправные из-за какого-либо нарушения, повлияют на другие.
«Скирмионы, напротив, похожи на шнурки, завязанные двойным узлом. Как бы сильно вы ни тянули за нить, шнурки остаются завязанными». Таким образом, скирмионы чрезвычайно устойчивы к любым разрушениям. Еще одной важной особенностью является то, что ученые могут контролировать их поведение, изменяя температуру или применяя электрический ток.
Ученым предстоит многое узнать о поведении скирмионов в различных условиях. Чтобы изучить их, команда под руководством Аргонна разработала программу искусственного интеллекта (ИИ), которая работает с мощным электронным микроскопом в Центре наноразмерных материалов (CNM), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в Аргонне. Микроскоп может визуализировать скирмионы в образцах при очень низких температурах. Это исследование появилось в Nano Letters.
Магнитный материал команды представляет собой смесь железа, германия и теллура. По структуре этот материал похож на стопку бумаги с множеством листов. Стопка таких листов содержит много скирмионов, и один лист можно снять сверху и проанализировать на таких объектах, как CNM.
«Электронный микроскоп CNM в сочетании с формой искусственного интеллекта, называемой машинным обучением , позволил нам визуализировать листы скирмиона и их поведение при разных температурах», — сказал Юэ Ли, постдокторант MSD.
«Наше самое интригующее открытие заключалось в том, что скирмионы расположены строго упорядоченно при температуре минус 60 градусов по Фаренгейту и выше», — сказал Чарудатта Фатак, материаловед и руководитель группы в MSD. «Но по мере того, как мы охлаждаем образец, расположение скирмионов меняется». 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 к минус 60. Этот переход порядок-беспорядок с изменением температуры можно было бы использовать в будущей микроэлектронике для хранения памяти.
«По нашим оценкам, энергоэффективность скирмионов может быть в 100–1000 раз выше, чем у текущей памяти в высокопроизводительных компьютерах, используемых в исследованиях», — сказал МакКрей.
Энергоэффективность необходима для следующего поколения микроэлектроники. На сегодняшнюю микроэлектронику уже приходится примерно 10% мировой электроэнергии. И это число может удвоиться к 2030 году. Необходимо найти более энергоэффективную электронику.
«У нас есть путь, прежде чем скирмионы найдут свое место в памяти любого компьютера будущего с низким энергопотреблением», — сказал Фатак. «Тем не менее, такой радикально новый взгляд на микроэлектронику является ключом к устройствам следующего поколения».
Теги: ИИ, магнит, микроэлектроника, нанороботы
