Kohti energiatehokasta tietotekniikkaa skyrmionien avulla

Kyushun yliopiston tutkijat ovat äskettäin osoittaneet, että materiaalien rajapintojen huolellinen suunnittelu voi avata uusia sovelluksia nanomittakaavan magneettisille spineille ja ylittää perinteisen elektroniikan rajoitukset.

Heidän tutkimustulokset avaavat lupaavan polun alan keskeisen haasteen ratkaisemiseksi ja uuden aikakauden aloittamiseksi seuraavan sukupolven tietoliikennelaitteissa.

Tutkimus keskittyy magneettisiin skyrmioneihin – pyörteisiin, nanomittakaavan magneettisiin rakenteisiin, jotka käyttäytyvät kuin hiukkaset.

Skyrmioneilla on kolme keskeistä ominaisuutta, jotka tekevät niistä hyödyllisiä informaationkantajia tietoliikennelaitteissa: nanomittakaavan koko suurta kapasiteettia varten, yhteensopivuus GHz-alueen nopeiden toimintojen kanssa ja kyky liikutella niitä erittäin pienillä sähkövirroilla.

Skyrmioeihin perustuva laitetekniikka voisi teoriassa ohittaa modernin elektroniikan sovelluksissa, kuten laajamittaisessa tekoälylaskennassa, esineiden internetissä (IoT) ja muissa big data -sovelluksissa.

Potentiaalistaan huolimatta skyrmionien tutkimus kohtaa kuitenkin "trilemman" – kolmiosaisen kompromissin koon, nopeuden ja tehon välillä. Yksinkertaisesti sanottuna skyrmionin pienentäminen tallennuskapasiteetin lisäämiseksi hidastaa sitä.

Sen nopeuttamiseksi on kuitenkin käytettävä enemmän sähkövirtaa, mikä mitätöi alhaisen virrankulutuksen hyödyt. Tämän trilemman ratkaiseminen edellyttää keinon löytää kuinka liikuttaa pienempiä skyrmioneja nopeammin käyttämättä enempää energiaa.

Tässä tutkimuksessa professori Hiromi Yuasan ja tohtoriopiskelija Lin Zhangin johtama tutkijaryhmä selvitti, voisiko erittäin ohuen välikerroksen lisääminen platina/koboltti/nikkeli (Pt/Co/Ni) -pinoon eli referenssijärjestelmään auttaa ratkaisemaan kolmiteisen kompromissin.

”Alallamme harvinainen maametalli gadolinium (Gd) tunnetaan ainutlaatuisista ominaisuuksistaan. Koska Gd:n ja Co:n spinit ovat vastakkaisiin suuntiin, GdCo:lla on kohtisuora magneettinen anisotropia”, Yuasa toteaa. ”Havaitsimme, että nämä ominaisuudet ovat hyödyllisiä spin-kiertorata-momentin parantamiseksi.”

Joten tutkijat lisäsivät platina- ja kobolttikerrosten väliin 0,3 nm paksuisen Gd-kerroksen luoden monikerroksisen Pt/Gd/Co/Ni-rakenteen. Ja keskeinen mittausten havainto oli, että Gd-välikerroksen lisääminen muutti tasapainoa erityyppisten magneettisten skyrmionien välillä säilyttäen samalla niiden vakauden

”Tuloksemme osoittavat sekä näiden nanomittakaavan magneettisten rakenteiden vakauden että mahdollisuuden nopeaan ja pienen virrankäytön toimintaan suuren spin-orbit-vääntömomentin ansiosta”, Yuasa korostaa.

Aiheesta aiemmin:

Kiraalisia skyrmion-virtoja voidaan käyttää logiikkaan

Skyrmioneja ohjaavia transistoreita