Современные технологии хранения информации используют магнитные материалы, где данные кодируются направлением магнитных моментов атомов — своеобразных миниатюрных стрелок компаса. Они могут находиться в двух положениях, что позволяет представлять биты 0 и 1.
Обычно управление такими моментами осуществляется с помощью электрического тока, но у этого метода есть существенный недостаток — выделение большого количества тепла и значительные потери энергии. Вортион решает эту проблему, предлагая использовать напряжение вместо тока, что делает процесс хранения данных более энергоэффективным.
Вихри, наноточки и новый подход
Магнитные вихри — это особые структуры, в которых магнитные моменты закручиваются вокруг центральной точки. Они могут быть использованы для хранения данных, но ключевым шагом в исследовании стало применение наноточек — крошечных круглых структур, размеры которых меньше толщины человеческого волоса.
Для эксперимента наноточки были изготовлены из железа-кобальта-азота (FeCoN). В изначальном состоянии они парамагнитны, то есть практически не реагируют на магнитное поле. Однако при подаче отрицательного напряжения отрицательно заряженные ионы азота выталкиваются в электролит, превращая наноточку в ферромагнетик. Это позволяет атомам железа и кобальта выстраивать магнитные моменты в упорядоченное вихревое состояние — вортион.
Контроль магнитных свойств с высокой точностью
Процесс формирования вихря начинается с нижней части наноточки и постепенно распространяется вверх, создавая растущий ферромагнитный слой. Чем дольше подается напряжение, тем сильнее изменяется магнитное состояние. Исследователи выяснили, что могут управлять такими свойствами, как:
- Сила намагничивания — насколько мощным становится магнитное поле;
- Стабильность вихря — время формирования и исчезновения вихря после подачи напряжения;
- Коэрцитивность — сопротивляемость вихря внешнему магнитному воздействию.
Главное преимущество метода — возможность обратимого переключения между различными магнитными состояниями, вплоть до полного отключения магнетизма, что открывает перспективы для более сложного кодирования информации. Например, если удастся надежно различать 8 уровней намагничивания, одна наноточка сможет хранить не два, а сразу восемь значений.
Потенциал для нейроморфных вычислений
Наиболее интригующей возможностью является способность вортионов имитировать работу синапсов в человеческом мозге. В нейронных сетях связи между нейронами обладают разной силой, адаптируясь в процессе обучения. Магнитные вихри могут выполнять аналогичную функцию, изменяя свои свойства под действием напряжения.
В перспективе это может привести к созданию более совершенных нейроморфных процессоров, способных работать с высокой энергоэффективностью. Исследователи планируют интегрировать вортионы в такие системы, что может стать настоящим прорывом в развитии искусственного интеллекта и энергоэффективных вычислений.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
