Cientistas da Far Eastern Federal University (FEFU) com colaboradores internacionais propuseram a escrita magnética direta de skyrmions, ou seja, quasipartículas magnéticas, e estruturas skyrmion, dentro do qual é possível codificar, transmite, processar informações e produzir padrões topológicos com resolução inferior a 100 nanômetros. Isso tem aplicações para eletrônicos pós-silício miniaturizados, novas técnicas de criptografia topológica e data centers verdes, potencialmente reduzindo significativamente a carga no ecossistema da Terra. Um artigo relacionado aparece em ACS Nano .

Equipes científicas internacionais estão procurando intensamente por materiais alternativos e abordagens para substituir dispositivos eletrônicos de silício baseados na tecnologia CMOS (semicondutores de óxido metálico complementar). A principal desvantagem dessa tecnologia é o tamanho dos transistores contemporâneos baseados nela. A impossibilidade física de miniaturizá-los ainda mais pode atrapalhar o desenvolvimento futuro da indústria eletrônica.

Materiais magnéticos de filme fino com camadas de um a vários nanômetros de espessura constituem alternativas promissoras aos transistores CMOS. Dentro desses materiais, skyrmions, estruturas magnéticas não triviais, são formados sob certas condições.

No estudo, os pesquisadores afirmam que projetaram matrizes estáveis ​​compactadas de skyrmions usando o campo magnético local de uma sonda de microscópio de força magnética para afetar uma estrutura magnética de filme fino.

Assim, a equipe foi pioneira na nanolitografia topológica, obter padrões topológicos em nanoescala onde cada skyrmion atua como um pixel, como na fotografia digital. Esses pixels do skyrmion não são visíveis na faixa ótica, e para decodificá-los ou criá-los é necessário um microscópio de força magnética.

"Skyrmions impulsionados por pulsos de corrente podem ser usados ​​como elementos básicos para imitar o potencial de ação dos neurônios biológicos para criar chips neuromórficos. Matrizes de chips com cada minúsculo elemento de neurônio se comunicando com outro por meio de movimentos e interação de skyrmions terão eficiência energética e alta poder de computação, "diz o vice-presidente de pesquisa da FEFU, Alexander Samardak, um dos autores do artigo. “Outro campo interessante é a criptografia visual ou topológica. Nesse caso, uma mensagem é criptografada como um padrão topológico, que é um conjunto de skyrmions ordenados. Decifrar essa mensagem exigirá, primeiro, conhecimento das coordenadas da imagem em nanoescala e, segundo, a disponibilidade de equipamentos especiais, como um microscópio de força magnética com alta sensibilidade a campos perdidos de skyrmions. A tentativa de hackear a mensagem com parâmetros selecionados incorretamente para a leitura da imagem topológica levará à sua destruição. Atualmente, cerca de 25 MB de informação podem ser registrados em um milímetro quadrado de um filme magnético fino. Ao reduzir o tamanho dos skyrmions para 10 nm, uma capacidade de 2,5 Gb / mm ² pode ser conseguida."

Uma limitação da abordagem é a velocidade de registro de informações com campos magnéticos de pontos locais. Ainda é muito lento, que restringe a abordagem da implementação em massa.

Alexander Samardak disse que a equipe aprendeu como regular o tamanho e a densidade da embalagem skyrmion, controlar a etapa de varredura (uma distância entre duas linhas de varredura adjacentes) com uma sonda do microscópio de força magnética. Ele expande o escopo de possíveis aplicações futuras. Por exemplo, se os skyrmions tiverem um tamanho inferior a 100 nanômetros, eles podem ser usados ​​como base para computação de reservatório, lógica reconfigurável e cristais magnônicos, que são a base dos processadores magnônicos e dispositivos de comunicação por micro-ondas na faixa sub-THz e THz. Esses dispositivos serão muito mais eficientes em termos de energia em comparação com os eletrônicos existentes. Isso abre caminho para futuros data centers verdes e de alto desempenho.

"Skyrmions podem ser portadores de bits de informação. Isso é possível devido à polarização do skyrmion, ou seja, posições para cima ou para baixo, que se relaciona com zeros e uns. Portanto, skyrmions podem ser elementos básicos para a memória magnética ou de pista de corrida. Esses dispositivos, em contraste com os discos magnéticos rígidos, não terá partes mecânicas; bits de informação se moverão por si próprios. Além disso, arranjos bidimensionais ordenados de skyrmions podem desempenhar o papel de cristais magnônicos artificiais, através do qual as ondas de spin se propagam, transmitir informações de uma fonte para um receptor sem aquecer os elementos de trabalho, "diz Alexey Ognev chefe do Laboratório FEFU para tecnologias de filme fino e o primeiro autor do artigo.

Usando a tecnologia desenvolvida, os cientistas planejam reduzir o tamanho dos skyrmions e desenvolver dispositivos práticos baseados neles.