Скирмионы - ключ к вычислительной технике будущего

Странный тип магнитной квазичастицы, которая выглядит как крошечный вращающийся пузырек, однажды может быть использован в качестве вычислительного.

"Скирмионы" — неофициально называемые учеными "нанопузырьками" - состоят из нескольких десятков атомов и имеют всего несколько нанометров в ширину. Для сравнения, прядь человеческого волоса имеет толщину до 100 000 нанометров. Скирмион генерирует себя из линий магнитного поля при движении в среде. Квазичастица состоит из элементарных наномагнитолов, называемых спинами, которые наматываются друг на друга по магнитным линиям, образуя закрученную спиральную структуру, напоминающую тугой узел.

Ученые давно предполагали, что скирмионы потенциально могут использоваться для хранения данных, где присутствие скирмиона будет кодировать 1, а его отсутствие - 0. Например, исследователи IBM использовали скирмионы в прототипе устройства под названием "беговая память". 

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, ученые утверждают, что скирмионы могут быть использованы для хранения информации в новом типе "универсальной памяти". Такой компонент объединил бы лучшее из отдельных компонентов современных компьютеров - оперативную память (RAM) и твердотельные накопители (SSD) или жесткие диски.

Оперативная память быстра, но занимает много места и нуждается в постоянном источнике питания, что означает стирание данных при выключении компьютера. Твердотельные накопители могут сохранять данные без питания, но скорость передачи данных в них намного ниже, чем в оперативной памяти. Все они используют электроны в качестве битов.

В новом исследовании утверждается, что скирмионы могут быть использованы вместо электронов в качестве бита нового типа, который может устранить эти ограничения.

"Преимущество магнитных скирмионов в том, что они сочетают в себе энергонезависимость, а именно, информацию, которая хранится постоянно, без энергопотребления, быстрые манипуляции и высокую плотность", - говорит ведущий автор исследования Оливье Буль, научный сотрудник Национального центра научных исследований (CNRS).

Ранее скирмионы перемещались со скоростью всего 100 метров в секунду, что слишком медленно, чтобы конкурировать с самыми современными технологиями. Но в новом исследовании их разогнали до скорости 900 м/с.

Ученые ускорили нанопузырьки, пропустив их через антиферромагнитный материал с помощью тока. Антиферромагнетизм - это тип магнетизма, при котором соседние ионы ведут себя как крошечные магниты, которые выстраиваются антипараллельно по всему материалу. Используемые учеными антиферромагнитные стеки состояли из двух ферромагнитных слоев, таких как кобальт, разделенных толстым немагнитным слоем с противоположной намагниченностью.

Моделирование в рамках этого исследования показало, что скирмионы могут не только хранить данные, но и выполнять вычисления. Например, с ними можно выполнять логические операции и в настоящее время исследователи пытаются использовать их в базовом чипе искусственного интеллекта (ИИ).

Скирмионы могут стать основой компонента, который сочетает в себе функциональность центрального процессора (CPU) и возможности хранения данных в универсальной памяти. Такой компонент мог бы привести к созданию гораздо более быстрых машин, чем мы имеем сегодня, потому что данным не нужно было бы перемещаться между центральным процессором и различными компонентами памяти, избегая узкого места в скорости обработки.