Já percebeu como nossos smartphones e dispositivos de computação ficam mais rápidos em curtos períodos? Você pode agradecer à lei de Moore por isso. Em 1965, O cofundador da Intel, Gordon Moore, previu que o poder de processamento dos computadores dobraria a cada dois anos, e, incrivelmente, essa regra empírica se manteve por mais de cinco décadas.

Contudo, a tecnologia de computação moderna está atingindo seus limites de escala, potencialmente trazendo a lei de Moore a uma parada brusca. Enquanto isso, a demanda por poder de computação continua a crescer rapidamente - em parte devido ao advento da inteligência artificial.

Contornar essas restrições de memória e capacidade de computação é a necessidade do momento, e requer que se olhe além dos dispositivos convencionais e arquiteturas de computação. Eis um dos candidatos:minúsculas quase-partículas magnéticas chamadas skyrmions, que podem oferecer uma maneira de ultrapassar os limites de processamento convencionais.

Como a memória de armazenamento de informações e as funções de tomada de decisão dos computadores são normalmente mantidas separadas, realizar até as tarefas mais simples consome energia. Skyrmions, um dos candidatos que podem combinar as duas funções, estão abrindo as portas para um processamento mais rápido e tomada de decisões em tempo real com potência reduzida.

Descoberto há mais de uma década, skyrmions magnéticos têm se mostrado difíceis de controlar. Mas não mais, graças a uma técnica inovadora iniciada por Anjan Soumyanarayanan e seus colegas do Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais (IMRE) da A * STAR. Por meio de seu método, a equipe conseguiu ajustar o tamanho, densidade e estabilidade dos skyrmions, aproximando-os da computação com eficiência energética.

Por literalmente colocar uma nova versão em skyrmions e aproveitar os fenômenos quânticos para a nanoeletrônica, Soumyanarayanan recebeu o Prêmio Jovem Cientista no Prêmio Presidencial de Ciência e Tecnologia de 2018. Soumyanarayanan, que também é professor assistente na Universidade Nacional de Cingapura e ganhador do prêmio IEEE Magnetics Society Early Career em 2018, nos dá uma visão mais detalhada dos skyrmions e do papel que eles podem desempenhar na computação de próxima geração.

Conte-nos sobre o problema principal que você está tentando resolver com sua pesquisa.

Lei de Moore, ou o crescimento exponencial do poder de computação com o tempo, está atingindo seus limites após um reinado de cinco décadas como a pedra angular da eletrônica moderna. Uma alternativa promissora é usar o "spin" do elétron em vez de carga para armazenar, processo, e transferir informações. Spin Electronics, ou spintrônica, pode oferecer dispositivos com velocidades de processamento mais rápidas, reduzindo drasticamente o consumo de energia.

Tarde, meus esforços de pesquisa se concentraram em skyrmions magnéticos. Descoberto recentemente em materiais compatíveis com a indústria, skyrmions são arranjos em nanoescala de spins de elétrons que se comportam como partículas magnéticas individuais. Eles têm atributos promissores como elementos básicos para a computação de próxima geração. Estamos desenvolvendo materiais de filme fino que hospedam tais skyrmions e investigando seu comportamento em dispositivos em nanoescala.

Quais são algumas das descobertas seminais em seu campo que você pretende construir?

Primeiro, Os dispositivos spintrônicos requerem a capacidade de detectar eletricamente (ler) e manipular (gravar) spins para formar os estados 0 e 1 - para representar o sistema binário usado no código de computador convencional. Descoberto há três décadas, essas capacidades foram reconhecidas com o Prêmio Nobel de 2007 e são usadas comercialmente em unidades de disco rígido modernas e memória de acesso aleatório magnético (MRAM).

Mais recentemente, o acoplamento entre o spin do elétron e o momento - conhecido como spin-orbit coupling (SOC) - surgiu como um ingrediente atraente em filmes finos compatíveis com a indústria. Por um lado, SOC permite a criação de skyrmions magnéticos e outros fenômenos novos. Por outro lado, ele fornece um meio rápido e eficiente em termos de energia para gravação elétrica.

Finalmente, esperamos que tais dispositivos possam ser usados ​​na imitação da biologia dos neurônios, realizando assim a computação inspirada no cérebro ou "computação neuromórfica. Este tópico crescente está vendo inúmeras propostas de dispositivos para alcançar o reconhecimento, correspondência de padrões e capacidades de tomada de decisão que imitam o cérebro humano.

Como você se interessou por estudar skyrmions magnéticos?

A formação de skyrmions magnéticos depende de três ingredientes principais:acoplamento spin-órbita, magnetismo, bem como a topologia única em certas superfícies e interfaces de materiais. Esses conceitos são centrais para vários fenômenos emergentes descobertos nos últimos 10 a 15 anos. Em 2010, esses conceitos foram a espinha dorsal de uma proposta de financiamento bem-sucedida que escrevi em conjunto com meu doutorado. orientador para apoiar meu trabalho de tese em materiais topológicos. Ao retornar a Cingapura, As profundas capacidades do A * STAR em filmes finos magnéticos forneceram um pivô natural em direção aos skyrmions. Fico feliz que ele trouxe desafios na ciência dos materiais e na engenharia de dispositivos - ambos provaram ser oportunidades de aprendizado valiosas.

Você poderia descrever um dos projetos mais interessantes em que está trabalhando agora?

Embora skyrmions magnéticos mostrem uma grande promessa como elementos de processamento de dados em nanoescala, eles não são os mais fáceis de trabalhar. Na verdade, até recentemente skyrmions magnéticos eram observados apenas em baixas temperaturas. Portanto, nossos esforços iniciais neste tópico se concentraram principalmente em estabelecer e adaptar suas propriedades de temperatura ambiente em filmes finos. Recentemente, exploramos seu comportamento elétrico em configurações de dispositivos compatíveis com a fabricação em larga escala. Eventualmente, esperamos realizar a detecção elétrica, ou lendo, e manipulação elétrica, ou escrita de skyrmions em tais dispositivos. A integração perfeita de diversos recursos, como desenvolvimento de materiais, fabricação de dispositivos e caracterização elétrica - necessária para que funcionem, é desafiadora e, ainda assim, empolgante.

Quais são algumas das implicações industriais / sociais de sua pesquisa? Quem se beneficiará com as descobertas?

Nossa pesquisa está alinhada com esforços mais amplos no campo da spintrônica. As tecnologias Spintronic são usadas comercialmente em unidades de disco rígido e memória magnética. Futuras descobertas da pesquisa spintrônica podem permitir novas arquiteturas de computação, além da operação do dispositivo de baixa potência em velocidades extremamente rápidas. Esses dispositivos podem nos ajudar a alcançar plataformas de computação com eficiência energética.

Isso pode se manifestar potencialmente em data centers com consumo de energia reduzido. Alternativamente, eles podem ser usados ​​para desenvolver dispositivos pessoais ou de computação de ponta com recursos de IA. Eventualmente, essa pesquisa pode ser aplicada em diversos domínios, desde a fabricação até a saúde e vigilância, pois pode auxiliar no monitoramento e também no reconhecimento de falhas para intervenção.

Como você vê a evolução da sua área de pesquisa nos próximos 5 a 10 anos?

Áreas de pesquisa inspiradas no uso, incluindo o nosso, estão evoluindo rapidamente na forma como os problemas são definidos e tratados. Por exemplo, definir problemas requer um envolvimento maior e sustentado com as partes interessadas em toda a cadeia de valor. Da mesma forma, resolvendo complexo, problemas de grande escala requerem a formação de equipes interdisciplinares compostas por cientistas de materiais, físicos, engenheiros elétricos e cientistas da computação. Notavelmente, técnicas de aprendizado de máquina agora desempenham um papel cada vez mais vital na previsão, projeto e análise de materiais e parâmetros do dispositivo. Esses e outros fatores emergentes ajudarão a moldar nossa área de pesquisa em um futuro próximo.