La computación tradicional está siendo reemplazada cada vez más por técnicas de inteligencia artificial (IA) para lograr capacidades de reconocimiento de patrones en muchos dominios, incluidos el cuidado de la salud, la fabricación y la computación personal. La creciente complejidad de las "redes neuronales" requeridas para las capacidades de IA provoca un aumento exponencial en el consumo de energía. Ante los presupuestos de energía cada vez más reducidos, existe una necesidad creciente de procesamiento de datos en el punto de recopilación, conocido como borde, especialmente para aplicaciones en tiempo real.

Ingrese a pequeños pero poderosos skyrmions:arreglos diminutos y sinuosos de espines de electrones que se forman en ciertas películas magnéticas delgadas. Estos portadores de información energéticamente eficientes son estables a temperatura ambiente y pueden ser movidos por corrientes eléctricas para imitar potencialmente cómo las células nerviosas biológicas en el cerebro humano envían y reciben señales.

En tamaños de nanoescala extremadamente pequeños, los skyrmions pueden ser 100 veces más pequeños que las regiones magnéticas utilizadas en los discos duros tradicionales, lo que hace que los posibles dispositivos basados ​​en skyrmion sean muy compactos. Esto los convierte en candidatos prometedores para su uso en futuros dispositivos informáticos para realizar aplicaciones de redes neuronales con bajo consumo de energía.

"Los skyrmions magnéticos están en una posición única porque son de interés científico, estables en materiales y entornos compatibles con la industria, y tienen aplicaciones en problemas de computación de vanguardia", dijo el Dr. Xiaoye Chen del equipo Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) en Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales de A*STAR (IMRE).

"Con características superiores como el tamaño a nanoescala, la alta estabilidad y el funcionamiento eficiente de la energía, los skyrmions magnéticos pueden ser una solución poderosa para desarrollar tecnologías innovadoras de computación neuronal reconfigurable", agregó el Dr. Mi-Young Im, científico del personal del Centro de Investigación del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Óptica de rayos X (CXRO).

Conociendo a los skyrmions:¿Qué los hace ser como son?

Para diseñar skyrmions con las características deseadas adecuadas a las necesidades específicas del dispositivo, un requisito clave es comprender qué propiedades del material afectan su estructura y estabilidad.

Investigadores del IMRE de A*STAR y el Instituto de Computación de Alto Rendimiento (IHPC), la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y el CXRO del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) han colaborado para explorar los factores que afectan las características físicas clave de los skyrmions en partículas magnéticas delgadas. películas, en un estudio publicado en Advanced Science en enero de 2022.

Transformando las características de los skyrmions:ajustando el parámetro mágico

El equipo aprovechó una plataforma de película delgada magnética que comprende un apilamiento secuencial de capas metálicas atómicamente delgadas, que se desarrolló previamente en A*STAR. Esta plataforma multicapa permite que las interacciones magnéticas que gobiernan las propiedades del skyrmion se controlen directamente variando el grosor de las capas constituyentes.

El equipo investigó las estructuras de espín formadas en estas películas delgadas utilizando una variedad de métodos especializados de imágenes magnéticas, que incluyen microscopía electrónica y microscopía de rayos X blanda, así como técnicas de simulación como ab-initio y cálculos micromagnéticos.

Curiosamente, el equipo descubrió que se podían ajustar varias propiedades clave de los skyrmions magnéticos variando un solo parámetro de material, 𝜅, que representa vagamente la "facilidad" de crear estructuras de espín dentro del material.

Primero, aumentando el 𝜅 -valor desde cero provoca un cambio brusco en la disposición de los espines que forman el skyrmion, conocido como su "helicidad", que luego se fija para valores más grandes de 𝜅 .

A continuación, aumentando 𝜅 cambia la elasticidad de los skyrmions, o "compresibilidad". Para 𝜅 más pequeños -valores, los skyrmions pueden encogerse y expandirse fácilmente, como las pompas de jabón. Pero para 𝜅 más grandes -valores, son muy compactos, como bolas de billar.

Finalmente, aumentar 𝜅 cambia aún más la forma en que se generan los skyrmions a partir de dominios magnéticos alargados y serpenteantes llamados "rayas". Para 𝜅 más pequeños -valores, las rayas se encogen en skyrmions individuales, mientras que para 𝜅 más grandes -valores, una raya se puede dividir o "fisionar" en múltiples skyrmions.

En general, el trabajo proporciona un marco basado en materiales para controlar las propiedades de skyrmion para uso futuro dentro de los dispositivos.

Subiendo la temperatura:De stripe a skyrmions

En un estudio de seguimiento publicado en Physical Review Applied en abril de 2022, el equipo utilizó una combinación de magnetometría, imágenes y técnicas de simulación para explorar la dependencia de la temperatura de la transición de raya a skyrmion.

Su trabajo estableció que con el aumento de la temperatura, cada franja se divide o fisiona en un mayor número de skyrmions, lo que lleva a un aumento en la densidad de skyrmions. Tal conocimiento del impacto de la temperatura en los skyrmions ofrece posibilidades para el desarrollo tecnológico futuro, donde los ciclos de temperatura controlada pueden usarse para la generación eficiente de skyrmions en futuras aplicaciones informáticas no convencionales.

Sellar el trato:Skyrmions personalizados, optimizados para el rendimiento

Con ambos estudios proporcionando un marco integral para controlar las propiedades de skyrmion, la creación de skyrmions personalizados con características diseñadas para diferentes aplicaciones está más cerca de la realidad. Por ejemplo, los dispositivos eléctricos pueden utilizar el tamaño de skyrmion o el número de skyrmion para realizar operaciones lógicas, que podrían utilizar materiales de 𝜅 bajo o de 𝜅 alto, respectivamente. A su debido tiempo, esto puede permitir el desarrollo de dispositivos skyrmionic para la informática de próxima generación. + Explora más

El flujo de calor controla el movimiento de los skyrmions en un imán aislante