A computação tradicional está sendo cada vez mais substituída por técnicas de inteligência artificial (IA) para obter recursos de reconhecimento de padrões em muitos domínios, incluindo saúde, manufatura e computação pessoal. A crescente complexidade das "redes neurais" necessárias para os recursos de IA causa um aumento exponencial no consumo de energia. Diante de orçamentos de energia cada vez menores, há uma necessidade crescente de processamento de dados no ponto de coleta, conhecido como borda, especialmente para aplicações em tempo real.
Entram em skyrmions pequenos, mas poderosos - arranjos minúsculos e sinuosos de spins de elétrons que se formam em certos filmes finos magnéticos. Esses portadores de informação energeticamente eficientes são estáveis ​​à temperatura ambiente e podem ser movidos por correntes elétricas para imitar potencialmente como os sinais são enviados e recebidos por células nervosas biológicas no cérebro humano.

Em tamanhos de nanoescala extremamente pequenos, os skyrmions podem ser 100 vezes menores do que as regiões magnéticas usadas em discos rígidos tradicionais, tornando os dispositivos baseados em skyrmion altamente compactos. Isso os torna candidatos promissores para uso em futuros dispositivos de computação para realizar aplicações de rede neural com baixo consumo de energia.

"Os skyrmions magnéticos estão posicionados de forma única porque são de interesse científico, estáveis ​​em materiais e ambientes compatíveis com a indústria e têm aplicações em problemas de computação de ponta", disse o Dr. Xiaoye Chen da equipe Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) da Instituto de Pesquisa e Engenharia de Materiais da A*STAR (IMRE).

"Com recursos superiores, como tamanho em nanoescala, alta estabilidade e operação com eficiência energética, os skyrmions magnéticos podem ser uma solução poderosa para o desenvolvimento de tecnologias inovadoras de computação neural reconfiguráveis", acrescentou o Dr. Mi-Young Im, cientista da equipe do Lawrence Berkeley National Laboratory's Center for Óptica de Raios-X (CXRO).

Conhecendo os skyrmions:o que os torna do jeito que são?

Para projetar skyrmions com características desejadas adequadas às necessidades específicas do dispositivo, um requisito fundamental é entender quais propriedades do material afetam sua estrutura e estabilidade.

Pesquisadores do IMRE da A*STAR e do Instituto de Computação de Alto Desempenho (IHPC), da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) e do CXRO do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) colaboraram para explorar fatores que afetam as principais características físicas de skyrmions em partículas magnéticas finas. filmes, em um estudo publicado em Advanced Science em janeiro de 2022.

Transformando as características dos skyrmions:Ajustando o parâmetro mágico

A equipe aproveitou uma plataforma de filme fino magnético que compreende um empilhamento sequencial de camadas metálicas atomicamente finas, que foi desenvolvida anteriormente na A*STAR. Essa plataforma multicamada permite que as interações magnéticas que governam as propriedades do skyrmion sejam controladas diretamente pela variação da espessura das camadas constituintes.

A equipe investigou as estruturas de spin formadas nesses filmes finos usando uma variedade de métodos de imagem magnética especializados, incluindo microscopia eletrônica e microscopia de raios-X moles, bem como técnicas de simulação como cálculos ab-initio e micromagnéticos.

Curiosamente, a equipe descobriu que várias propriedades-chave de skyrmions magnéticos podem ser ajustadas variando um único parâmetro de material, 𝜅, que representa vagamente a "facilidade" de criar estruturas de spin dentro do material.

Primeiro, aumentando o 𝜅 -valor a partir de zero causa uma mudança acentuada no arranjo dos spins formando o skyrmion, conhecido como "helicidade", que é então fixado para valores maiores de 𝜅 .

Em seguida, aumentando 𝜅 altera a elasticidade dos skyrmions, ou "compressibilidade". Para 𝜅 menores -valores, skyrmions podem facilmente encolher e expandir, bem como bolhas de sabão. Mas para maiores 𝜅 -valores, eles são altamente compactos, como bolas de bilhar.

Finalmente, aumentar 𝜅 muda ainda mais a forma como os skyrmions são gerados a partir de domínios magnéticos alongados e sinuosos chamados "listras". Para 𝜅 menores -valores, listras encolhem em skyrmions únicos, enquanto para maiores 𝜅 -values, uma faixa pode se dividir ou "fissão" em vários skyrmions.

No geral, o trabalho fornece uma estrutura baseada em material para controlar as propriedades do skyrmion para uso futuro em dispositivos.

Aumentar o calor:de listras a skyrmions

Em um estudo de acompanhamento publicado em Revisão Física Aplicada em abril de 2022, a equipe usou uma combinação de técnicas de magnetometria, imagem e simulação para explorar a dependência da temperatura da transição listra para skyrmion.

Seu trabalho estabeleceu que, com o aumento da temperatura, cada faixa se divide ou se divide em um número maior de skyrmions, levando a um aumento na densidade de skyrmions. Tal conhecimento do impacto da temperatura nos skyrmions oferece possibilidades para o desenvolvimento tecnológico futuro, onde ciclos de temperatura controlada podem ser usados ​​para geração eficiente de skyrmions em futuras aplicações de computação não convencionais.

Fechando o negócio:skyrmions personalizados, otimizados para desempenho

Com ambos os estudos fornecendo uma estrutura abrangente para controlar as propriedades do skyrmion, a criação de skyrmions personalizados com características adaptadas para diferentes aplicações está mais próxima da realidade. Por exemplo, os dispositivos elétricos podem utilizar o tamanho do skyrmion ou o número do skyrmion para realizar operações lógicas, que podem utilizar materiais com 𝜅 baixo ou com 𝜅 alto, respectivamente. No devido tempo, isso pode permitir o desenvolvimento de dispositivos skyrmiônicos para computação de próxima geração. + Explorar mais

O fluxo de calor controla o movimento de skyrmions em um ímã isolante