Фізики вперше змогли зняти на відео, як двовимірний «кристал» із крихітних магнітних вихорів — скірміонів — у реальному часі втрачає впорядковану структуру. Про це повідомляє SciTechDaily. Таке спостереження може наблизити створення надзвичайно енергоефективних комп’ютерів, що працюють за принципами, подібними до мозку.
У надтонких магнітних матеріалах замість атомів кристал можуть утворювати топологічні структури — скірміони. Це мініатюрні завихрення магнітного моменту, які здатні шикуватися в регулярну, кристалоподібну ґратку.
Що таке скірміони і чому вони цікаві для обчислень
Скірміони мають одразу кілька важливих властивостей: вони дуже малі, стійкі й водночас можуть переміщуватися в магнітному матеріалі та керовано змінюватися. За словами Асле Судбьо (Asle Sudbø), керівника Центру квантової спінтроніки (QuSpin) Норвезького університету науки і технологій, ці вихори здатні зберігати інформацію «в абсолютно новий спосіб».
Інформацію можна було б кодувати в самій наявності скірміона, його положенні або русі. Це потенційно зменшує і фізичні розміри пам’яті, і енергоспоживання порівняно з традиційними технологіями запису та обробки даних.
Такі структури особливо цікаві для спінтроніки — напряму, де використовують не лише електричний заряд електрона, а й його магнітний момент (спін). У спінтронних пристроях частину операцій можна виконувати завдяки магнетизму, витрачаючи значно менше електроенергії, ніж у звичайних електронних компонентах.
Судбьо відзначає, що на нано-рівні ці магнітні вихори можуть стати основою для комп’ютерів, які працюватимуть більше «як мозок», ніж як класичні процесори.
Як магнітний «кристал» тане на очах
У новій роботі, виконаній переважно в Інституті фізики Йоганнеса Гутенберга в Майнці за участі Судбьо, дослідники спостерігали, як впорядкована ґратка скірміонів поступово «тане» — переходить від кристалоподібного стану до хаотичного.
Під «плавленням» тут мається на увазі не нагрівання матеріалу до рідкого стану, а втрата просторового порядку в розташуванні скірміонів. Вони зсуваються зі своїх фіксованих позицій і формують дедалі більш безладну конфігурацію.
Команда вперше не лише відзняла цей процес у реальному часі, а й змогла одночасно
Під дією цих полів змінювалася й рухливість скірміонів. Важливий результат полягає в тому, що ґратка не переходила миттєво від суворого порядку до повного хаосу. Між цими станами була проміжна фаза: скірміони вже втрачали закріплені положення, але ще зберігали спільну орієнтацію.
Реальний час спостережень також дозволив відстежити появу та поширення дефектів у ґратці. Виявилося, що ці локальні «злами» структури можуть рухатися приблизно у 100 разів швидше, ніж самі скірміони. Це показує, що невеликі перебудови в одному місці здатні дуже швидко розхитати впорядковану картину в цілому.
Такі дані відкривають можливість перевіряти теорії двовимірного плавлення й водночас краще розуміти, як тонко та надійно керувати скірміонними системами.
Від фундаментальної фізики до майбутніх пристроїв
Судбьо наголошує, що отримані результати насамперед поглиблюють базове розуміння поведінки цих топологічних об’єктів. Це ще не демонстрація готового комп’ютера, а фундаментальна фізика, яка може стати основою нових технологій.
Щоб перетворити скірміони на практичні елементи обчислювальної техніки, інженерам потрібно буде навчитися надійно створювати, переміщати, зчитувати й довго зберігати їх у робочих пристроях. Лише тоді можна буде говорити про реальні пам’яті, процесори чи логічні елементи на такій основі.
Втім, можливість у реальному часі спостерігати окремі скірміони і налаштовувати їхню поведінку вже зараз дає дослідникам інструменти для проектування магнітних систем із передбачуваними реакціями.
Серед потенційних довгострокових застосувань автори розглядають щільніші носії даних, енергоощадні мозкоподібні процесори та компоненти для зароджуваних квантових технологій. На думку Судбьо, подібні підходи до магнітних структур «можуть революціонізувати наше уявлення про комп’ютери».