Časopis Quark
https://www.quark.sk

Skyrmióny – nosiče informácií

Aj vďaka platnosti Moorovho zákona máme v súčasnosti na trhu produkty, ako sú smartfóny, hodinky a ďalšie zariadenia, ponúkajúce možnosti kedysi vídané len pri veľkých superpočítačoch. Ďalšia miniaturizácia súčiastok však naráža na technologické limity. Riešenie ponúkajú skyrmióny.

Moorov zákon z roku 1965, ktorý predpokladá, že zložitosť integrovaných obvodov sa zdvojnásobuje každých osemnásť mesiacov pri zachovanej konštantnej cene, spoľahlivo platil celé uplynulé polstoročie. V súčasnosti však toto pravidlo postupne stráca na sile. Ide hlavne o obmedzenia vyplývajúce z prítomnosti zvodových prúdov spôsobených tunelovaním elektrónov, ktoré bránia zmenšovaniu jednotlivých prvkov integrovaných obvodov. Začali sa preto hľadať alternatívne technológie, ktoré by nebránili ďalšej miniaturizácii elektronických súčiastok.

Nový typ základných častíc
Spintronika (odbor elektroniky, ktorá využíva spin elektrónov na ukladanie, prenos a spracovanie informácií) sa zaraďuje medzi potenciálnych kandidátov, ktorí priťahujú v tomto smere značnú pozornosť. Najmä z dôvodu využitia topologických spinových textúr, známych ako magnetické skyrmióny. Výhodou magnetických skyrmiónov je ich malý rozmer na úrovni jednotiek nanometrov. Na manipuláciu vyžadujú malé prúdové hustoty a ich stabilita je definovaná topológiou. Dokážu teda v rovnakom stave zotrvať veľmi dlho a sú odolné proti vonkajším ruchom, ako je napríklad tepelný šum. Preto sú považované za potenciálne stavebné jednotky nastupujúcej generácie spintronických súčiastok, integrovaných obvodov a počítačových pamätí.
Ich názov je odvodený od mena anglického fyzika Tonyho Skyrma, ktorý po prvýkrát matematicky predpovedal nový typ základnej častice v roku 1962. Hoci takéto hypotetické častice nikdy neboli pozorované, určité kolektívne časticové excitácie (kvázičastice), ktoré sa správali podobne ako skyrmióny, boli publikované a postupne sa pôvodný koncept zovšeobecnil na viaceré systémy z pevných látok. Prvýkrát sa ich podarilo experimentálne pozorovať pred desiatimi rokmi. Spočiatku sa dali sledovať len pri nízkych teplotách a v objemových magnetických materiáloch, ako napríklad MnSi (ide o silicid mangánu, čo je chirálny magnet s B20 kryštálovou štruktúrou, ktorá umožňuje formáciu skyrmiónov). V ostatnom čase boli pozorované aj v ultratenkých filmoch a viacvrstvových štruktúrach pri izbovej teplote. Stabilizácia magnetických skyrmiónov v takýchto tenkovrstvových systémoch je možná vďaka pôsobiacej interakcii (Džalošinského-Moriyova interakcia) na rozhraní magnetického materiálu a nemagnetického kovu so silnou spinovo-orbitálnou väzbou. Pre využitie v počítačových technológiách je stabilizácia a kontrola skyrmiónov pri izbovej teplote jednou zo základných požiadaviek.

Grafické znázornenie usporiadania magnetických spinov v rámci skyrmiónu (Néel typ). Obvodové spiny smerujú nahor, zatiaľ čo centrálny spin je nasmerovaný opačne, zdroj Zhang a kolektív

Až za superparamagnetický limit
Ak sa na magnetický skyrmión pozrieme laickým pohľadom, môžeme si ho predstaviť ako lokálnu zmenu magnetizácie v magnetickom médiu. Teda niečo podobné, ako keď máme na pokožke maličkú oblasť s odlišnou pigmentáciou. V oboch prípadoch je to v podstate určitý defekt, ktorý však vieme v magnetickom svete využiť ako nosič informácie. Určite existujú techniky, pomocou ktorých si vieme lokálne modifikovať kožný pigment v oblasti s priemerom 10 milimetrov. Takisto je možné zobrať feromagnet, ktorý má magnetizáciu orientovanú jedným smerom a vytvoriť v ňom oblasť s modifikovanou (opačnou) magnetizáciou s priemerom rádovo 10 nanometrov. Magnetické skyrmióny môžu byť vytvorené aplikovaním lokálneho magnetického poľa, elektrického prúdu alebo lokálnym zahriatím materiálu. Ak je tvorba skyrmiónov úspešná, v ďalšom kroku sa rieši spôsob, ako nimi manipulovať. Rýchlosť ich pohybu a citlivosť na poruchy sú základné parametre, ktoré nás pri skyrmiónoch zaujímajú. Pre spoľahlivé uchovávanie informácií na báze magnetických skyrmiónov sa hľadajú optimálne schémy na zapisovanie, čítanie a vymazávanie takýchto magnetických konfigurácií.
V súčasných pevných diskoch, kde sú logické nuly a jednotky uchovávané v podobe mikroskopických magnetických domén, je takmer dosiahnutý tzv. superparamagnetický limit. Tento limit definuje hranicu, po ktorú je ešte možné zmenšovať jednotlivé magnetické domény. Ak prekročíme superparamagnetický limit, tak už aj malé teplotné fluktuácie môžu viesť k prevráteniu magnetických spinov v rámci domény, čoho výsledkom je strata uložených informácií.

Grafická reprezentácia racetrack pamäte. Skyrmióny a antiskyrmióny potujú pozdĺž drôtu a aktuálny magnetický stav je snímaný čítacou hlavou, zdroj Forschungszentrum Jülich

Bez pohyblivých častí
Jeden z konceptov, ktorý by mohol využívať skyrmióny na uchovávanie informácií, je známy ako tzv. racetrack pamäť. Odstránením pohyblivých mechanických častí, ktoré sa nachádzajú v súčasných pevných diskoch, by sa urýchlili operácie zápisu a čítania. Koncept racetrack si môžeme predstaviť ako veľmi dlhý, niekoľko nanometrov hrubý drôt, v ktorom sa v rade posúvajú jednotlivé skyrmióny ako električky v tuneli. Magnetické súčiastky na zápis a čítanie aktuálneho stavu sa nachádzaju v blízkosti drôtu. Oblasti bez skyrmiónu sú reprezentované logickou 0 a miesta so skyrmiónmi logickou 1. Takýmto spôsobom by malo byť možné vytvoriť pamäte s vysokou hustotou záznamu. Keby sme to chceli ešte trochu skomplikovať, oblasti bez skyrmiónov by sa mohli nahradiť antiskyrmiónmi (skyrmióny s odlišnou konfiguráciou spinov), ktoré by vo výsledku predstavovali logickú 0. Takéto riešenie by zamedzovalo mimovoľnému pohybu skyrmiónov pri vyšších teplotách, čím by sa zvýšila stabilita systému.

Živé témy výskumu
Keďže jednotlivé skyrmióny sú na nanometrovej úrovni, problémom zostáva, ako ich čítať v komerčných zariadeniach. V laboratórnych podmienkach sa ich pozorovanie realizuje výkonnými elektrónovými mikroskopmi alebo röntgenovou holografiou, čo nie sú bežne prístupné techniky. Vizualizácia skyrmiónov, ich manipulácia a integrácia do fungujúcich súčiastok sú živé témy výskumu pre ďalšiu dekádu. A naďalej zostáva otvorená otázka, či sa niekedy podarí skyrmiónovým racetrack pamätiam konkurovať moderným flash pamätiam v rýchlosti, hustote záznamu a cene súčasne.
Keby sa neuchytili v pamäťových aplikáciách, predpovedané sú aj alternatívne prístupy. Skyrmióny by sa mohli využívať v riadiacich jednotkách počítačov alebo sa implementovať do logických systémov. Keďže na ich manipuláciu je potrebný len malý elektrický prúd, mohli by vytvoriť energeticky efektívne počítačové procesory. Alebo sa nechať biologicky inšpirovať a napodobniť funkciu ľudského mozgu, kde by sa skyrmión mohol správať ako nervová bunka alebo neurón. Ak sa v praxi potvrdí, že sa skyrmióny dokážu pohybovať tak rýchlo, ako sa predpokladá, logické obvody by pracovali na frekvenciách viac ako 1 THz.
Predtým, ako sa skyrmióny stanú súčasťou budúcich zariadení, je nevyhnutný ich ďalší výskum. Spolu s kolegami sa aj v našej magnetickej skupine v Bratislave snažíme experimentálne kombinovať rôzne magnetické a nemagnetické materiály na dosiahnutie vhodných podmienok na stabilizáciu skyrmiónov a počítačovo simulovať ich dynamické správanie. Veríme, že naše poznatky podporia vývoj konceptov a materiálových systémov pre budúce spintronické technológie.
Pre viac informácií nás môžete kontaktovať cez webovú stránku Elektrotechnického ústavu SAV.

Ing. Tomáš Ščepka, PhD.
Oddelenie fyziky a technológie nanoštruktúr
Elektrotechnický ústav SAV
www.elu.sav.sk

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 5/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Komentáre