Des scientifiques de l'Université fédérale d'Extrême-Orient (FEFU) avec des collaborateurs internationaux ont proposé l'écriture magnétique directe des skyrmions, c'est à dire., quasiparticules magnétiques, et les réseaux skyrmions, dans lequel il est possible d'encoder, transmettre, traiter l'information et produire des motifs topologiques avec une résolution inférieure à 100 nanomètres. Cela a des applications pour l'électronique post-silicium miniaturisée, nouvelles techniques de cryptographie topologique et data centers verts, potentiellement réduire la charge sur l'écosystème de la Terre de manière significative. Un article connexe apparaît dans ACS Nano .

Des équipes scientifiques internationales recherchent intensivement des matériaux alternatifs et des approches pour remplacer les dispositifs électroniques en silicium basés sur la technologie CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur). L'inconvénient majeur de cette technologie est la taille des transistors contemporains basés sur celle-ci. L'impossibilité physique de les miniaturiser davantage pourrait entraver le développement futur de l'industrie électronique.

Les matériaux magnétiques en couches minces avec des couches d'un à plusieurs nanomètres d'épaisseur constituent des alternatives prometteuses aux transistors CMOS. Au sein de ces matériaux, skyrmions, structures magnétiques non triviales, se forment sous certaines conditions.

Dans l'étude, les chercheurs affirment avoir conçu des réseaux stables et compacts de skyrmions en utilisant le champ magnétique local d'une sonde de microscope à force magnétique pour affecter une structure magnétique en couche mince.

Ainsi, l'équipe a été la pionnière de la nanolithographie topologique, obtenir des modèles topologiques à l'échelle nanométrique où chaque skyrmion agit comme un pixel, comme en photographie numérique. De tels pixels skyrmion ne sont pas visibles dans la gamme optique, et pour les décoder ou les créer, il faut un microscope à force magnétique.

"Les skyrmions entraînés par des impulsions de courant peuvent être utilisés comme éléments de base pour imiter le potentiel d'action des neurones biologiques pour créer des puces neuromorphiques. Des réseaux de puces avec chaque minuscule élément neuronal communiquant avec un autre au moyen de skyrmions en mouvement et en interaction auront une efficacité énergétique et Puissance de calcul, " déclare le vice-président de la FEFU pour la recherche Alexander Samardak, l'un des auteurs de l'article. "Un autre domaine intéressant est la cryptographie visuelle ou topologique. Dans ce cas, un message est chiffré en tant que modèle topologique, qui est un ensemble de skyrmions ordonnés. Déchiffrer un tel message nécessitera, premier, connaissance des coordonnées de l'image nanométrique et, seconde, la disponibilité d'équipements spéciaux tels qu'un microscope à force magnétique à haute sensibilité aux champs parasites de skyrmions. Tenter de pirater le message avec des paramètres mal sélectionnés pour lire l'image topologique entraînera sa destruction. Actuellement, environ 25 Mo d'informations peuvent être enregistrées sur un millimètre carré d'un film mince magnétique. En réduisant la taille des skyrmions à 10 nm, une capacité de 2,5 Go/mm ² peut être atteint."

Une limitation de l'approche est la vitesse d'enregistrement des informations avec des champs magnétiques ponctuels locaux. C'est encore très lent, qui freine l'approche de la mise en œuvre de masse.

Alexander Samardak a déclaré que l'équipe a appris à réguler la taille et la densité de l'emballage skyrmion, contrôler l'étape de balayage (une distance entre deux lignes de balayage adjacentes) avec une sonde du microscope à force magnétique. Il élargit le champ d'applications futures possibles. Par exemple, si les skyrmions ont une taille inférieure à 100 nanomètres, ils peuvent être utilisés comme base pour le calcul des réservoirs, logique reconfigurable et cristaux magnéniques, qui sont à la base des processeurs magnéniques et des dispositifs de communication micro-ondes dans la gamme sub-THz et THz. De tels appareils seront beaucoup plus économes en énergie par rapport à l'électronique existante. Cela ouvre la voie à de futurs centres de données verts et hautes performances.

"Les skyrmions peuvent être porteurs de bits d'information. Cela est possible grâce à la polarisation des skyrmions, c'est à dire., positions en haut ou en bas, qui se rapporte aux zéros et aux uns. D'où, Les skyrmions peuvent être des éléments de base pour la mémoire magnétique ou de piste. De tels appareils, contrairement aux disques durs magnétiques, n'aura pas de pièces mécaniques; des bits d'information se déplaceront d'eux-mêmes. De plus, des réseaux bidimensionnels ordonnés de skyrmions peuvent jouer le rôle de cristaux magnéniques artificiels, à travers lequel se propagent les ondes de spin, transmettre des informations d'une source à un récepteur sans chauffer les éléments de travail, ", explique Alexey Ognev, responsable du laboratoire FEFU pour les technologies des couches minces et premier auteur de l'article.

En utilisant la technologie développée, les scientifiques prévoient de réduire la taille des skyrmions et de développer des dispositifs pratiques basés sur eux.