Datan tallennuksen uudet ulottuvuudet

Elektroniikkalaitteissa käytetään yleensä elektronien varausta informaation tallentamiseen ja käsittelyyn. Spintroniikassa keskitytään sen sijaan magneettiseen momenttiin tai magneettisiin pyörteisiin, niin kutsuttuihin skyrmioneihin – tavoitteena on pienempiä, nopeampia ja kestävämpiä tietokoneita.

Tallennustiheyden lisäämiseksi entisestään skyrmionit eivät ole tulevaisuudessa vain kaksiulotteisia, vaan ne valloittavat myös kolmannen ulottuvuuden.

Johannes Gutenbergin yliopiston Mainzin (JGU) tutkijat ovat nyt onnistuneet luomaan kolmiulotteisia skyrmioneja, niin kutsuttuja hybridi-skyrmionputkia, synteettisistä antiferromagneeteista ja osoittaneet kertaa, että nämä skyrmionputket liikkuvat eri tavalla kuin kaksiulotteiset skyrmionit.

"Kolmiulotteiset skyrmionit ovat kiinnostavia muun muassa kvanttilaskennassa ja aivojen inspiroimassa laskennassa – tässä kolmannen ulottuvuuden tuoma suurempi tallennustiheys on olennaista", sanoo Mona Bhukta.

Vaikka skyrmionit ovat magneettisia pyörteitä, ne käyttäytyvät kuin hiukkaset. Tämä tarkoittaa muun muassa sitä, että niitä voidaan liikuttaa sähkövirralla.

Toisin kuin aiemmin luodut, uudet skyrmionputket eivät ole tasaisesti kiertyneitä, vaan epätasaisesti. Tämä johtaa – yksinkertaisesti sanottuna – siihen, että ne liikkuvat eri tavalla kuin aiemmassa 2D-järjestelmissä. Näitä liike-eroja voidaan käyttää informaation tallennukseen, mikä avaa kolmannen ulottuvuuden datan tallennukselle.

Tulokset ovat tärkeitä muun muassa aivojen inspiroimalle laskennalle: dataa ei käsitellä digitaalisen elektroniikan, vaan neuronien eli hermosolujen ja synapsien avulla – tavoitteena luoda tehokkaampia, energiatehokkaampia ja joustavampia järjestelmiä monimutkaisiin tehtäviin.

"Kolmiulotteiset skyrmionit mahdollistavat neuronien paremman matkimisen", Bhukta sanoo. "Askel kolmanteen ulottuvuuteen on olennainen myös kvanttilaskennassa."

Ferroiset materiaalit, kuten ferromagneetit ja ferroelektriset materiaalit, ovat nykyaikaisen datantallennustekniikan keskeisiä rakenneosia. Nykyisillä alustoilla on kuitenkin perustavanlaatuisia rajoituksia. Ferromagneetit kärsivät hitaasta kytkentänopeudesta, kun taas ferrosähköinen polarisaatio on yleensä epävakaa ympäröivän materiaalin depolarisoivan vasteen vuoksi.

Äskettäin löydetty materiaaliluokka, jolla ei ole näitä rajoituksia, ovat niin sanotut ferroaksiaalit (ferroaxials). Ne muodostuvat sähköisten dipolien mikroskooppisista pyörteistä, jotka voivat olla joko myötä- tai vastapäivään järjestäytyneitä, mutta niitä on erittäin vaikea manipuloida.

Max Planck -instituutin aineen rakennetta ja dynamiikkaa tutkivan laitoksen (MPSD) ja Oxfordin yliopiston tutkijat ovat nyt osoittaneet, että kaksistabiileja ferroaksiaalisia tiloja voidaan kytkeä tarvittaessa käyttämällä yksittäisiä erittäin lyhyitä ympyräpolarisoidun terahertsivalon välähdyksiä.

Tämä löytö luo uuden mekanismin, joka voi johtaa valo-ohjattavaan, erittäin nopeaan ja stabiiliin ferrokytkentään ja lupaavaan alustaan seuraavan sukupolven haihtumattomille tiedontallennusteknologioille.

Aiheesta aiemmin:

Skyrmioneja ohjaavia transistoreita

Magneettisia skyrmioneja laserpulsseilla

Silta ferrosähköisten ja ferromagneettisten materiaalien välille