Магниты создают невидимые поля, которые притягивают определенные материалы. Знакомый пример — магниты на холодильник. Однако они также играют жизненно важную роль в хранении данных на компьютерах. Используя направление магнитного поля (например, вверх или вниз), каждый из микроскопических стержневых магнитов может хранить один бит памяти как ноль или единицу, что является основой компьютерного языка.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США работают над заменой этих стержневых магнитов крошечными магнитными вихрями, известными как скирмионы. Эти вихри размером всего в миллиардные доли метра образуются в некоторых магнитных материалах и могут создать новое поколение микроэлектроники для хранения данных в высокопроизводительных компьютерах.
Ученым предстоит многое узнать о поведении скирмионов в различных условиях. Чтобы изучить их, команда разработала программу искусственного интеллекта, которая работает с мощным электронным микроскопом в Центре наноразмерных материалов (CNM). Микроскоп может визуализировать скирмионы в образцах при очень низких температурах.
Магнитный материал команды представляет собой смесь железа, германия и теллура. По структуре этот материал похож на стопку бумаги с множеством листов. Стопка таких листов содержит много скирмионов, и один лист можно снять сверху и проанализировать на таких объектах, как CNM.
Своим самым важным открытием ученые считают то, что скирмионы расположены в строго упорядоченном порядке при температуре минус 60 градусов по Фаренгейту и выше. При охлаждении, расположение скирмионов меняется. Как пузырьки в пене, некоторые скирмионы стали больше, некоторые меньше, некоторые сливаются, а некоторые исчезают. При минус 270 слой достиг состояния почти полного беспорядка, но порядок вернулся, когда температура вернулась к минус 60. Этот переход порядок-беспорядок при изменении температуры можно было бы использовать в будущей микроэлектронике для хранения данных вместо текущей оперативной памяти.
По оценкам исследователей, энергоэффективность скирмионов может быть в 100–1000 раз выше, чем у текущей памяти в высокопроизводительных компьютерах, используемых в исследованиях. Энергоэффективность необходима для следующего поколения микроэлектроники. Сегодняшняя микроэлектроника уже составляет заметную долю мирового энергопотребления и может потреблять почти 25% в течение десятилетия. Необходимо найти более энергоэффективную электронику.
Говорить о прикладном использовании технологии еще рано, но на текущий момент это наиболее вероятный путь развития для быстро памяти в компьютерах с высокой энергоэффективностью.