Magnetfelder, die von Skyrmionen in einer zweidimensionalen Materialschicht aus Eisen, Germanium und Tellur erzeugt werden. Bildnachweis: Argonne National Laboratory
Kleine magnetische Wirbel könnten die Speicherung von Hochleistungscomputern revolutionieren.
Magnete erzeugen unsichtbare Felder, die bestimmte Materialien anziehen. Ein bekanntes Beispiel sind Kühlschrankmagnete. Sie spielen jedoch auch eine wichtige Rolle bei der Speicherung von Daten in Computern. Durch Ausnutzung der Richtung des Magnetfelds (z. B. nach oben oder unten) können die mikroskopisch kleinen Magnetstäbe jeweils ein Bit als Null oder Eins speichern, was die Grundlage der Computersprache ist.
Wissenschaftler bei US-Energieministerium Argonne National Laboratory arbeiten daran, diese Stabmagnete durch winzige magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, zu ersetzen. Diese bis zu einem Milliardstel Meter kleinen Wirbel bilden sich in bestimmten magnetischen Materialien und haben das Potenzial, eine neue Generation von Mikroelektronik für die Speicherung in Hochleistungscomputern hervorzubringen.
„Die Stabmagnete im Computerspeicher sind wie Schnürsenkel, die mit einem einzigen Knoten gebunden sind; Es kostet fast keine Energie, sie rückgängig zu machen“, sagte Arthur McCray, a Nordwestliche Universität Doktorand, der in der Materials Science Division (MSD) von Argonne arbeitet. Und jeder Stabmagnet, der aufgrund von Störungen ausfällt, wirkt sich auf andere aus.
„Im Gegensatz dazu sind Skyrmionen wie Schnürsenkel, die mit einem Doppelknoten gebunden sind. Egal wie stark man an einem Strang zieht, die Schnürsenkel bleiben gebunden. Skyrmionen sind daher extrem stabil gegenüber Störungen. Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die Wissenschaftler ihr Verhalten dadurch steuern können Ändern der Temperatur oder Anlegen eines elektrischen Stroms.
Änderung der Skyrmion-Cluster von hoch geordnet zu ungeordnet bei einer Temperatur von -92 F (204 Kelvin) bis -272 F (104 Kelvin). Helle Punkte zeigen Ordnung an. Bildnachweis: Argonne National Laboratory
Wissenschaftler müssen noch viel darüber lernen, wie sich Skyrmionen unter verschiedenen Bedingungen verhalten. Um sie zu untersuchen, entwickelte das von Argonne geleitete Team ein Programm für künstliche Intelligenz (KI), das mit einem Hochleistungs-Elektronenmikroskop am Center for Nanoscale Materials (CNM), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, arbeitet. Das Mikroskop kann Skyrmionen in Proben bei sehr niedrigen Temperaturen sichtbar machen.
Das magnetische Material des Teams ist eine Mischung aus Eisen, Germanium und Tellur. Dieses Material ähnelt in seiner Struktur einem Papierstapel mit vielen Blättern. Ein Stapel dieser Blätter enthält viele Skyrmionen, und ein einzelnes Blatt kann von der Oberseite abgezogen und in Einrichtungen wie dem CNM analysiert werden.
„Das CNM-Elektronenmikroskop in Verbindung mit einer Form der KI namens maschinelles Lernen ermöglichte es uns, Skyrmion-Schichten und ihr Verhalten bei verschiedenen Temperaturen zu visualisieren“, sagte Yue Li, Postdoktorand bei MSD.
„Unser faszinierendstes Ergebnis war, dass die Skyrmionen bei minus 60 Grad in einem sehr geordneten Muster angeordnet sind[{” attribute=””>Fahrenheit and above,” said Charudatta Phatak, a materials scientist and group leader in MSD. “But as we cool the sample the skyrmion arrangement changes.” Like bubbles in beer foam, some skyrmions became larger, some smaller, some merge, and some vanish.
At minus 270, the layer reached a state of nearly complete disorder, but the order came back when the temperature returned to minus 60. This order-disorder transition with temperature change could be exploited in future microelectronics for memory storage.
“We estimate the skyrmion energy efficiency could be 100 to 1000 times better than current memory in the high-performance computers used in research,” McCray said.
Energy efficiency is essential to the next generation of microelectronics. Today’s microelectronics already account for a notable fraction of the world’s energy use and could consume nearly 25% within the decade. More energy-efficient electronics must be found.
“We have a way to go before skyrmions find their way into any future computer memory with low power,” Phatak said. “Nonetheless, this kind of radical new way of thinking about microelectronics is key to next-generation devices.”
Reference: “Thermal Hysteresis and Ordering Behavior of Magnetic Skyrmion Lattices” by Arthur R. C. McCray, Yue Li, Rabindra Basnet, Krishna Pandey, Jin Hu, Daniel P. Phelan, Xuedan Ma, Amanda K. Petford-Long and Charudatta Phatak, 21 September 2022, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c02275
The study was funded by the DOE Office of Basic Energy Sciences. The team’s machine learning program was run on supercomputing resources at the Argonne Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility.