Fig. 1:Um único pulso de laser de intensidade apropriada pode criar padrões de skyrmion aleatórios com uma densidade definida por um campo magnético externo (setas finas). Este esquema de gravação a laser de skyrmions pode ser usado como um "remodelador skyrmion" ultrarrápido para computação estocástica. A área cercada pela linha tracejada marca o campo de visão do microscópio de raios-X usado para ver os skyrmions magnéticos aparecendo como pontos pretos. O campo de visão tem 1 µm de diâmetro. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Menor, mais rápido, mais eficiência energética:os requisitos futuros para computação e armazenamento de dados são difíceis de cumprir e conceitos alternativos são explorados continuamente. Pequenas texturas magnéticas, os chamados skyrmions, pode se tornar um ingrediente em novos dispositivos de memória e lógica. Para ser considerado para aplicação tecnológica, Contudo, é necessário um controle rápido e energeticamente eficiente desses skyrmions de tamanho nanométrico
Skyrmions magnéticos são manchas de magnetização semelhantes a partículas que se formam como redemoinhos muito pequenos em um material uniformemente magnetizado. Em particular, filmes finos ferromagnéticos, skyrmions são estáveis à temperatura ambiente, com diâmetros abaixo da faixa de dez nanômetros. Sabe-se que skyrmions podem ser criados e movidos por pulsos curtos de corrente elétrica. Só recentemente foi descoberto que também pulsos de laser curtos são capazes de criar e aniquilar skyrmions. Em contraste com os pulsos de corrente elétrica, pulsos de laser de duração sub-picossegundo podem ser usados, fornecendo uma rota mais rápida e potencialmente mais eficiente em termos de energia para gravar e excluir informações codificadas por skyrmions. Isso torna a escrita de skyrmion a laser interessante para aplicações tecnológicas, incluindo memória alternativa e dispositivos lógicos.
Cientistas do Instituto Max Born junto com colegas de Helmholtz-Zentrum Berlin, O Instituto de Tecnologia de Massachusetts e outras instituições de pesquisa agora investigam em detalhes como a criação baseada em laser e a aniquilação de skyrmions podem ser controladas para promover a aplicação do processo em dispositivos. Para visualizar os skyrmions magnéticos, a equipe de pesquisadores usou microscopia de raios-X baseada em holografia, que pode fazer os minúsculos redemoinhos de magnetização com um diâmetro de 100 nanômetros e menos visíveis. Ser capaz de ver os skyrmions, eles foram capazes de estudar sistematicamente como o laser pulsa com diferentes intensidades, aplicado na presença de um campo magnético externo, pode criar ou excluir skyrmions. Dois tipos de sistemas de materiais, projetado para ser capaz de hospedar skyrmions magnéticos em primeiro lugar, foram investigados, ambos consistindo em pilhas multicamadas ultrafinas de materiais ferromagnéticos e paramagnéticos.
Fig 2:A densidade dos skyrmions em função do campo magnético externo. À medida que o campo diminui, a densidade do skyrmion aumenta de maneira linear. As imagens inseridas mostram exemplos dos padrões de skyrmion criados pelo pulso de laser, o campo de visão tem 1,5 µm de diâmetro. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Não surpreendentemente, dada a natureza térmica do processo, a intensidade do laser tem que estar correta. Contudo, há uma janela dependente do material de intensidades de laser que permite a criação de um novo padrão de skyrmion que é completamente independente do estado magnético anterior. Para intensidades mais baixas, um padrão existente permanece inalterado ou é apenas ligeiramente modificado, para intensidades muito mais altas, a estrutura multicamadas está danificada. Notavelmente, o número de skyrmions criados dentro do ponto de laser não é influenciado pela intensidade do laser. Em vez de, os pesquisadores descobriram que a presença de um campo magnético externo permite controlar com precisão a densidade dos skyrmions criados. A força do campo externo, portanto, fornece um botão para ajustar o número de skyrmions criados e até mesmo permite a aniquilação de skyrmions, como os cientistas relatam no jornal Cartas de Física Aplicada .
Eles demonstraram a criação controlada ou aniquilação de skyrmions únicos dentro do ponto de laser, conforme necessário para aplicativos em armazenamento de dados onde um único bit poderia então ser representado pela presença ou ausência de um skyrmion. De interesse para a aplicação potencial do dispositivo, Contudo, é também a capacidade de gerar simultaneamente uma densidade particular de skyrmions na área iluminada por um único pulso de laser. Este processo pode ser usado como um "remodelador skyrmion" na computação estocástica. Lá, os números são representados como sequências de bits aleatórios de "0" e "1, "com a probabilidade de encontrar" 1 "codificando o valor do número. Os cálculos podem ser realizados por meio de operações lógicas entre bits individuais de diferentes números de entrada. Embora seja claramente uma abordagem de nicho em comparação com a lógica digital predominante, a computação estocástica tem se mostrado promissora para problemas específicos, como processamento de imagem. Contudo, cadeias de bits completamente aleatórias são necessárias como sinais de entrada para resultados corretos de operações de computação estocástica. Conforme demonstrado neste trabalho, essa "reorganização" aleatória de skyrmions pode ser realizada opticamente em uma escala de tempo de picossegundos, compatível com a velocidade do relógio do computador de última geração e muito mais rápido do que nos conceitos anteriores com base na difusão térmica operando na escala de tempo de segundos.
