¿Alguna vez notó cómo nuestros teléfonos inteligentes y dispositivos informáticos se vuelven más rápidos en períodos cortos? Puedes agradecerle a la ley de Moore por eso. Allá por 1965, El cofundador de Intel, Gordon Moore, predijo que la potencia de procesamiento de las computadoras se duplicaría aproximadamente cada dos años, e increíblemente esta regla empírica se ha mantenido durante más de cinco décadas.

Sin embargo, la tecnología informática moderna está alcanzando sus límites de escala, potencialmente poniendo fin a la ley de Moore. Mientras tanto, la demanda de potencia informática sigue creciendo rápidamente, en parte debido al advenimiento de la inteligencia artificial.

Eludir estas restricciones sobre la memoria y la potencia informática es la necesidad del momento, y requiere que uno mire más allá de los dispositivos convencionales y las arquitecturas informáticas. He aquí uno de los candidatos:diminutas cuasi-partículas magnéticas llamadas skyrmions que pueden ofrecer una forma de superar los límites de procesamiento convencionales.

Debido a que la memoria de almacenamiento de información y las funciones de toma de decisiones de las computadoras generalmente se mantienen separadas, realizar incluso las tareas más simples consume energía. Skyrmions, uno de los candidatos que puede combinar las dos funciones, están abriendo las puertas a un procesamiento más rápido y a la toma de decisiones en tiempo real con una potencia reducida.

Descubierto hace más de una década, Los skyrmions magnéticos han demostrado ser difíciles de controlar. Pero ya no más, gracias a una técnica innovadora iniciada por Anjan Soumyanarayanan y sus colegas del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE) de A * STAR. A través de su método, el equipo logró afinar el tamaño, densidad y estabilidad de los skyrmions, acercándolos a la realización de la informática energéticamente eficiente.

Por literalmente darle un nuevo giro a los skyrmions y aprovechar los fenómenos cuánticos para la nanoelectrónica, Soumyanarayanan recibió el Premio al Joven Científico en los Premios de Ciencia y Tecnología del Presidente de 2018. Soumyanarayanan, quien también es profesor asistente en la Universidad Nacional de Singapur y recibió en 2018 el premio IEEE Magnetics Society Early Career Award, nos da una mirada más cercana a los skyrmions y el papel que podrían desempeñar en la informática de próxima generación.

Cuéntenos sobre el problema clave que está tratando de resolver con su investigación.

La ley de Moore, o el crecimiento exponencial de la potencia informática con el tiempo, está llegando a sus límites después de un reinado de cinco décadas como piedra angular de la electrónica moderna. Una alternativa prometedora es utilizar el "giro" del electrón en lugar de cargarlo para almacenar, proceso, y transferir información. Girar la electrónica, o espintrónica, puede ofrecer dispositivos con velocidades de procesamiento más rápidas al tiempo que reduce drásticamente el consumo de energía.

Últimamente, mis esfuerzos de investigación se han centrado en skyrmions magnéticos. Descubierto recientemente en materiales compatibles con la industria, Los skyrmions son arreglos a nanoescala de espines de electrones que se comportan como partículas magnéticas individuales. Tienen atributos prometedores como elementos base para la informática de próxima generación. Estamos desarrollando materiales de película delgada que albergan tales skyrmions e investigando su comportamiento en dispositivos a nanoescala.

¿Cuáles son algunos de los hallazgos fundamentales en su campo sobre los que piensa aprovechar?

Primero, Los dispositivos espintrónicos requieren la capacidad de detectar (leer) y manipular (escribir) espines eléctricamente para formar estados 0 y 1, para representar el sistema binario utilizado en el código informático convencional. Descubierto hace tres décadas, estas capacidades fueron reconocidas con el Premio Nobel de 2007 y se utilizan comercialmente en unidades de disco duro modernas y memorias magnéticas de acceso aleatorio (MRAM).

Más recientemente, el acoplamiento entre el espín y el momento de los electrones, conocido como acoplamiento espín-órbita (SOC), ha surgido como un ingrediente atractivo en las películas delgadas compatibles con la industria. Por un lado, SOC permite la creación de skyrmions magnéticos y otros fenómenos novedosos. Por otra parte, proporciona un medio rápido y energéticamente eficiente para la escritura eléctrica.

Finalmente, esperamos que estos dispositivos puedan ser útiles para imitar la biología de las neuronas, de este modo se da cuenta de la computación neuromórfica o inspirada en el cerebro. Este tema emergente está viendo numerosas propuestas de dispositivos para lograr el reconocimiento, capacidades de emparejamiento de patrones y toma de decisiones que imitan el cerebro humano.

¿Cómo se interesó en el estudio de los skyrmions magnéticos?

La formación de skyrmions magnéticos se basa en tres ingredientes clave:acoplamiento espín-órbita, magnetismo, así como la topología única en ciertas superficies e interfaces de materiales. Estos conceptos son fundamentales para varios fenómenos emergentes descubiertos durante los últimos 10 a 15 años. En 2010, Estos conceptos fueron la columna vertebral de una propuesta de subvención exitosa que escribí junto con mi doctorado. asesor para apoyar mi trabajo de tesis sobre materiales topológicos. Al regresar a Singapur, Las profundas capacidades de A * STAR en películas delgadas magnéticas proporcionaron un pivote natural hacia los skyrmions. Me alegra que viniera con desafíos en la ciencia de los materiales y la ingeniería de dispositivos; ambos han demostrado ser valiosas oportunidades de aprendizaje.

¿Podría describir uno de los proyectos más emocionantes en los que está trabajando en este momento?

Aunque los skyrmions magnéticos son muy prometedores como elementos de procesamiento de datos a nanoescala, no es fácil trabajar con ellos. De hecho, hasta hace poco, los skyrmions magnéticos se observaban anteriormente solo a bajas temperaturas. Por lo tanto, Nuestros esfuerzos iniciales en este tema se centraron principalmente en establecer y adaptar sus propiedades a temperatura ambiente en películas delgadas. Recientemente, hemos estado explorando su comportamiento eléctrico dentro de configuraciones de dispositivos compatibles con la fabricación a gran escala. Finalmente, esperamos realizar la detección eléctrica, o leyendo, y manipulación eléctrica, o escritura de skyrmions en tales dispositivos. La integración perfecta de diversas capacidades, como el desarrollo de materiales, la fabricación de dispositivos y la caracterización eléctrica, que se requieren para que funcionen, es un desafío y, al mismo tiempo, emocionante.

¿Cuáles son algunas de las implicaciones industriales / sociales de su investigación? ¿Quién se beneficiará de los hallazgos?

Nuestra investigación se alinea con esfuerzos más amplios en el campo de la espintrónica. Las tecnologías espintrónicas se utilizan comercialmente en unidades de disco duro y memoria magnética. Los descubrimientos futuros de la investigación espintrónica podrían permitir nuevas arquitecturas informáticas, además del funcionamiento del dispositivo de baja potencia a velocidades extremadamente rápidas. Estos dispositivos podrían ayudarnos a lograr plataformas informáticas energéticamente eficientes.

Esto podría manifestarse potencialmente en centros de datos con un consumo de energía reducido. Alternativamente, podrían usarse para desarrollar dispositivos informáticos personales o de borde con capacidades de inteligencia artificial. Finalmente, Dicha investigación puede aplicarse en diversos dominios que van desde la fabricación hasta la atención médica y la vigilancia, ya que puede ayudar a monitorear y reconocer fallas para la intervención.

¿Cómo cree que evolucionará su área de investigación en los próximos 5 a 10 años?

Áreas de investigación inspiradas en el uso, incluido el nuestro, están evolucionando rápidamente en cómo se definen y abordan los problemas. Por ejemplo, La definición de problemas requiere un compromiso mayor y sostenido con las partes interesadas en toda la cadena de valor. Igualmente, resolución compleja, Los problemas a gran escala requieren la formación de equipos interdisciplinarios que comprendan científicos de materiales, físicos, ingenieros eléctricos e informáticos. Notablemente, Las técnicas de aprendizaje automático ahora juegan un papel cada vez más vital en la predicción, diseño y análisis de materiales y parámetros del dispositivo. Estos y otros factores emergentes ayudarán a dar forma a nuestra área de investigación en un futuro próximo.