Fig. 1:Un solo pulso de láser de intensidad adecuada puede crear patrones de skyrmion aleatorios con una densidad definida por un campo magnético externo (flechas delgadas). Este esquema de escritura láser de skyrmions puede utilizarse como un "reorganizador de skyrmion" ultrarrápido para la computación estocástica. El área rodeada por la línea discontinua marca el campo de visión del microscopio de rayos X utilizado para ver los skyrmions magnéticos que aparecen como puntos negros. El campo de visión es de 1 µm de diámetro. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Menor, más rápido, Mayor eficiencia energética:los requisitos futuros para la informática y el almacenamiento de datos son difíciles de cumplir y se exploran continuamente conceptos alternativos. Pequeñas texturas magnéticas, los llamados skyrmions, puede convertirse en un ingrediente en nuevos dispositivos de memoria y lógica. Para ser considerado para aplicación tecnológica, sin embargo, Se requiere un control rápido y energéticamente eficiente de estos skyrmions de tamaño nanométrico
Los skyrmions magnéticos son parches de magnetización en forma de partículas que se forman como remolinos muy pequeños en un material de otro modo uniformemente magnetizado. En particular películas delgadas ferromagnéticas, los skyrmions son estables a temperatura ambiente, con diámetros hasta el rango de diez nanómetros. Se sabe que los skyrmions se pueden crear y mover mediante breves pulsos de corriente eléctrica. Solo recientemente se descubrió que también los pulsos de láser cortos pueden crear y aniquilar skyrmions. A diferencia de los pulsos de corriente eléctrica, se pueden utilizar pulsos de láser de duración inferior a un picosegundo, proporcionando una ruta más rápida y potencialmente más eficiente desde el punto de vista energético para escribir y eliminar información codificada por skyrmions. Esto hace que la escritura láser skyrmion sea interesante para aplicaciones tecnológicas, incluyendo memoria alternativa y dispositivos lógicos.
Científicos del Instituto Max Born junto con colegas de Helmholtz-Zentrum Berlin, El Instituto de Tecnología de Massachusetts y otras instituciones de investigación investigaron ahora en detalle cómo se puede controlar la creación y aniquilación de skyrmions basada en láser para promover la aplicación del proceso en dispositivos. Para imaginar los skyrmions magnéticos, el equipo de investigadores utilizó microscopía de rayos X basada en holografía, lo que puede hacer que los pequeños remolinos de magnetización con un diámetro de 100 nanómetros y menos visibles. Poder ver los skyrmions, Pudieron estudiar sistemáticamente cómo el láser pulsa con diferente intensidad, aplicado en presencia de un campo magnético externo, puede crear o eliminar skyrmions. Dos tipos de sistemas de materiales, diseñado para poder albergar skyrmions magnéticos en primer lugar, fue investigado, ambos consisten en pilas multicapa ultrafinas de materiales ferromagnéticos y paramagnéticos.
Fig 2:La densidad de skyrmions en función del campo magnético externo. A medida que el campo disminuye, la densidad de skyrmion aumenta de forma lineal. Las imágenes insertadas muestran ejemplos de los patrones de skyrmion creados por el pulso láser, el campo de visión es de 1,5 µm de diámetro. Crédito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Como era de esperar, dada la naturaleza térmica del proceso, la intensidad del láser debe ser la correcta. Sin embargo, hay una ventana de intensidades láser dependiente del material que permite la creación de un nuevo patrón de skyrmion que es completamente independiente del estado magnético anterior. Para intensidades más bajas, un patrón existente permanece inalterado o solo se modifica ligeramente, para intensidades mucho más altas, la estructura multicapa está dañada. Notablemente, el número de skyrmions creados dentro del punto láser no está influenciado por la intensidad del láser. En lugar de, los investigadores encontraron que la presencia de un campo magnético externo permite controlar con precisión la densidad de los skyrmions creados. Por lo tanto, la fuerza del campo externo proporciona una perilla para ajustar el número de skyrmions creados e incluso permite la aniquilación de skyrmions, como informan los científicos en la revista Letras de física aplicada .
Demostraron la creación o aniquilación controlada de skyrmions individuales dentro del punto láser, según sea necesario para aplicaciones de almacenamiento de datos en las que un solo bit podría representarse mediante la presencia o ausencia de un skyrmion. De interés para la posible aplicación del dispositivo, sin embargo, es también la capacidad de generar simultáneamente una densidad particular de skyrmions en el área iluminada por un solo pulso de láser. Este proceso podría utilizarse como un "reorganizador de skyrmion" en la computación estocástica. Allí, los números se representan como cadenas de bits aleatorios de "0" y "1, "con la probabilidad de encontrar" 1 "que codifica el valor numérico. Los cálculos se pueden realizar mediante operaciones lógicas entre bits individuales de diferentes números de entrada. Si bien es claramente un enfoque de nicho en comparación con la lógica digital predominante, La computación estocástica ha demostrado ser prometedora para problemas particulares como el procesamiento de imágenes. Sin embargo, Se necesitan cadenas de bits completamente aleatorias como señales de entrada para obtener resultados correctos de las operaciones de computación estocástica. Como se demuestra en este trabajo, tal "reorganización" aleatoria de skyrmions se puede realizar ópticamente en una escala de tiempo de picosegundos, compatible con la velocidad del reloj de la computadora de última generación y mucho más rápido que en conceptos anteriores basados en la difusión térmica que opera en la escala de tiempo de segundos.
