Secoué, pas agité: mélange ultra-rapide de Skyrmion


Secoué, pas agité: mélange ultra-rapide de Skyrmion

Fig. 1: Une seule impulsion laser d’intensité appropriée peut générer des motifs de skyrmion aléatoires avec une qui est définie par un champ magnétique externe (flèches minces). Ce schéma d’écriture laser de skyrmions peut être utilisé comme un « shuffler Skyrmion » ultra-rapide pour le calcul stochastique. La entourée par la ligne pointillée marque le champ de vision du microscope à rayons X, avec lequel les skyrmions magnétiques apparaissent sous forme de points noirs. Le champ de vision est de 1 µm de diamètre. Crédits photo: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Plus petit, plus rapide, plus économe en énergie: les besoins futurs en informatique et en stockage de données sont difficiles à satisfaire et des concepts alternatifs sont continuellement explorés. De petites textures magnétiques appelées skyrmions peuvent faire partie de nouveaux dispositifs de stockage et de logique. Cependant, pour être envisagé pour une application technologique, un contrôle rapide et économe en énergie de ces skyrmions de taille nanométrique est nécessaire

Les skyrmions magnétiques sont des points de magnétisation ressemblant à des particules qui se forment comme de très petits tourbillons dans un matériau autrement uniformément magnétisé. En particulier, les films minces ferromagnétiques sont des Skyrmions stables à température ambiante avec des diamètres allant jusqu’à dix nanomètres. On sait que des skyrmions peuvent être générés et déplacés par de courtes impulsions de courant électrique. Il n’a été découvert que récemment que même de courtes impulsions laser peuvent générer et détruire des skyrmions. Contrairement aux impulsions de courant électrique, les impulsions laser peuvent être utilisées pendant moins d’une picoseconde, offrant une voie plus rapide et potentiellement plus économe en énergie pour écrire et effacer des informations codées par des skyrmions. Cela rend l’écriture de skyrmions laser intéressante pour les applications technologiques, y compris la mémoire alternative et les dispositifs logiques.

Des scientifiques du Max Born Institute, en collaboration avec des collègues du Helmholtz Center Berlin, du Massachusetts Institute of Technology et d’autres instituts de recherche, ont maintenant examiné en détail comment la et la destruction de skyrmions par laser peuvent être contrôlées afin de promouvoir l’utilisation du processus dans les appareils. Pour imager les skyrmions magnétiques, l’équipe de recherche a utilisé la microscopie à rayons X basée sur l’holographie, qui peut rendre les minuscules tourbillons de magnétisation d’un diamètre de 100 nanomètres et moins visibles. Afin de pouvoir voir les skyrmions, ils ont pu étudier systématiquement comment des impulsions laser d’intensités différentes, qui sont appliquées en présence d’un champ magnétique externe, peuvent générer ou supprimer des skyrmions. Deux types de systèmes de matériaux ont été étudiés, qui peuvent principalement accueillir des skyrmions magnétiques et qui sont tous deux constitués d’empilements multicouches ultra-minces de matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques.

Secoué, pas agité: mélange ultra-rapide de Skyrmion

Fig. 2: La densité des skyrmions en fonction du champ magnétique externe. Lorsque le champ diminue, la densité du skyrmion augmente linéairement. Les images insérées montrent des exemples des modèles de skyrmion générés par l’impulsion laser. Le champ de vision est de 1,5 µm de diamètre. Crédits photo: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Compte tenu de la nature thermique du processus, il n’est pas surprenant que l’intensité du laser doive être correcte. Cependant, il existe une fenêtre dépendant du matériau avec des intensités laser qui permet la création d’un nouveau motif de skyrmion qui est complètement indépendant de l’état magnétique précédent. À des intensités plus faibles, un motif existant reste inchangé ou n’est que légèrement modifié; à des intensités beaucoup plus élevées, la structure multicouche est endommagée. De manière remarquable, le nombre de skyrmions générés dans le spot laser n’est pas influencé par l’intensité du laser. Au lieu de cela, les chercheurs ont constaté que la présence d’un champ magnétique externe permet un contrôle précis de la densité des skyrmions produits. La force du champ externe fournit donc un bouton de réglage du nombre de skyrmions générés et permet même de détruire les skyrmions, comme le rapportent les scientifiques dans la revue. Lettres de appliquée.

Ils ont démontré la création ou la destruction contrôlée de skyrmions individuels dans le spot laser, comme requis pour les applications de stockage de données, dans lesquelles un seul bit peut alors être représenté par la présence ou l’absence d’un skyrmion. Cependant, pour une éventuelle application de dispositif, il est également intéressant de pouvoir générer simultanément une certaine densité de skyrmions dans la zone éclairée par une seule impulsion laser. Ce processus pourrait être utilisé comme un « remaniement Skyrmion » dans le calcul stochastique. Là, les nombres sont représentés comme des chaînes de caractères de bits aléatoires de « 0 » et « 1 », avec la probabilité de rencontrer « 1 » codant la valeur numérique. Les calculs peuvent alors être effectués en utilisant des opérations logiques entre des bits individuels de différents nombres d’entrée. Bien que l’informatique stochastique soit clairement une approche de niche par rapport à la logique numérique prédominante, elle s’est révélée prometteuse pour certains problèmes tels que le traitement d’image. Cependant, des séquences de bits complètement aléatoires sont nécessaires comme signaux d’entrée pour des résultats corrects des opérations arithmétiques stochastiques. Comme le montre ce travail, un tel «remaniement» aléatoire des skyrmions peut être effectué optiquement sur une échelle de temps picoseconde, compatible avec la dernière fréquence d’horloge de l’ordinateur, et beaucoup plus rapide que dans les concepts précédents basés sur l’échelle de temps de diffusion thermique des secondes.


Nanostructures avec une propriété unique


Plus d’information:
Kathinka Gerlinger et coll. Concepts d’application pour la génération et la destruction ultra-rapides de skyrmions induites par laser, Lettres de physique appliquée (2021). DOI: 10.1063 / 5.0046033

Fourni par le Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Citation: , pas agité: Ultra-Fast Skyrmion Reshuffling (2021, 12 mai), consulté le 13 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-shaken-ultrafast-skyrmion-reshuffling.html

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