"Manyetik tekel" araştırmasında yeni ilerleme: yeni nesil spintronik belleğin gelişimini teşvik edin!
Kılavuz
Son zamanlarda, ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından yönetilen bir araştırma ekibi, bir çip üzerinde "manyetik tek kutuplar" adı verilen egzotik manyetik parçacıkların oluşumunu simüle edebilen nano ölçekli bir "spor alanı" yarattı.
arka fon
Bilgi patlaması çağında, her gün büyük miktarda veri ve bilgi üretmeli ve bunlarla yüzleşmeliyiz. Mevcut anılar boyut, performans, güç tüketimi ve maliyet açısından ciddi zorluklarla karşı karşıyadır. Bu nedenle, dünyanın her yerindeki bilim adamları, tipik olan, spintronik ve manyetizmaya dayalı yeni depolama cihazları olan çeşitli yeni depolama teknolojilerini araştırıyorlar.
1) Almanya'daki Mainz Üniversitesi'nden fizikçiler, antiferromıknatıslarda dijital bilgileri okuyup yazmanın teknik olarak mümkün olduğunu ve gelecekte ultra yüksek hızlı ve kararlı manyetik bellek getirmesinin beklendiğini gösterdi.
(Resim kaynağı: referans [2])
2) Singapur Ulusal Üniversitesi'nden araştırmacılar, el şeklindeki bir eğirme yapısı birimini etkin bir şekilde kullanabilen yeni bir ultra ince çok katmanlı film türü icat ettiler: yeni nesil veri depolama ve mantık cihazları olarak kabul edilen bilgileri depolamak için skyrmions Ana bilgi taşıyıcısı.
(Resim kaynağı: Referans malzemeleri [3])
3) Japonya'daki Tohoku Üniversitesi'nin bilimsel araştırma ekibi, Nesnelerin İnterneti ve yapay zeka için önbellek olarak kullanılabilen, 128 Mb depolama yoğunluğu ve 14 nanosaniye yazma hızına sahip bir döndürme aktarım torku-manyetik rastgele erişim belleği (STT-MRAM) başarıyla geliştirdi. kullanın.
(Resim kaynağı: Northeastern Üniversitesi)
Yenilikçilik
Bugün, yazarın herkese tanıttığı bu araştırma ilerlemesi, spintronik tabanlı manyetik depolama cihazlarının geliştirilmesine yardımcı olacaktır.
Son zamanlarda, ABD Enerji Bakanlığı Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) liderliğindeki bir araştırma ekibi, "manyetik tek kutuplar" adı verilen egzotik manyetik parçacıkların oluşumunu simüle edebilen bir çip üzerinde nano ölçekli bir "spor alanı" yarattı. Bu araştırma yakın zamanda Science Advances dergisinde yayınlandı.
(Resim kaynağı: Farhan / Berkeley Lab)
teknoloji
Son yıllarda, diğer araştırmacılar gerçek dünya manyetik monopol modelleri yaratmaya çalışıyorlar. Manyetik bir tek kutup, tek bir kuzey veya güney kutbu olan teorik bir manyetik atom altı parçacıktır. Bu zor parçacıklar yapay spin buz malzemeleri yapılarak taklit edilebilir ve gözlemlenebilir. Dönen buz, suyun oluşturduğu buza benzer bir yapıya sahip büyük bir nanomagnet dizisidir.İçindeki atomların dizilişi tamamen simetrik değildir ve kalıntı kuzey veya güney kutuplarına neden olur.
Aşağıdaki şekil şunu göstermektedir: manyetik tek kutupun 210K sıcaklıktaki hareketi. Kırmızı nokta pozitif manyetik yükü (kuzey kutbu) ve mavi nokta negatif manyetik yükü (güney kutbu) temsil eder.
(Resim kaynağı: Farhan / Berkeley Lab)
Manyetizmada karşı cinsler arasında bir çekim vardır (kuzey kutbu güney kutbunu çekecek ve güney kutbu da kuzey kutbunu çekecektir), bu nedenle bu tekeller mükemmel eşleşmelerini bulmaya çalışacaklardır. Makalenin baş yazarı ve o sırada Berkeley Laboratuvarı Gelişmiş Işık Kaynağı'nda (ALS) doktora sonrası araştırmacı olan ve şu anda İsviçre'deki Paul Scher Enstitüsünde çalışan Alan Farhan, bu geleneksel yapay spin buzlar iki boyutlu sistemler olduğundan, monopollerin Bu nedenle, manyetik tek kutupun performansını gerçekten temsil etmez.
Bu engelin üstesinden gelmek için, Berkeley Lab liderliğindeki ekip, atomların buzda nasıl düzenleneceğini (su veya mineral piroklorundan oluşan) yöneten "buz kurallarını" izleyen üç boyutlu bir nanosistemi simüle etti.
Farhan şöyle dedi: "Bu, araştırmamızın temel bir unsurudur. Üç boyutlu sistemimiz sayesinde, bir kuzey tekeli veya bir güney tekeli gitmek istediği yere hareket edebilir ve çevredeki diğer parçacıklarla etkileşime girebilir. Yalıtılmış bir manyetik yük gibi, başka bir deyişle, manyetik bir tek kutup gibi. "
Ekip, üç boyutlu kare kafes benzeri bir nanomagnet'i tasvir etmek için Berkeley Laboratory Molecular Foundry (bir nano bilim araştırma tesisi) tarafından geliştirilen karmaşık litografi araçlarını kullandı. Kafesteki her mıknatıs yaklaşık olarak bir bakteri boyutundadır ve 1 cm'ye 1 cm boyutlarında silikon bir gofret üzerine oturur. Farhan, "Bu bir nano dünya: mikro-plaka üzerinde mikro-mimari" dedi, ancak atom seviyesindeki konfigürasyon doğal buzu andırıyor.
Bu nanoyapı oluşturmak için araştırmacılar, her biri 20 nanometre ile 30 nanometre arasında hizalanmış iki pozlama yöntemini birleştirdi. Molecular Foundry'de, makalenin ortak yazarı Scott Dhuey, minik silikon yongalar üzerinde dört yapıdan oluşan nanopatternler yaptı ve daha sonra bu yongaları, dünyanın her yerinden ziyaret eden bilim insanlarına açık bir senkrotron radyasyon kaynağı araştırma tesisi olan ALS'de inceledi. Araştırmacılar, sıcaklık değişimlerine göre manyetik monopollerin nasıl oluştuğunu gözlemlemek için manyetik yapılara duyarlı güçlü bir X-ışını ışınıyla nano desenleri tasvir etmek için "X-ışını Foto-Uyarımlı Elektron Mikroskobu (PEEM)" adlı bir teknik kullandılar. Ve mobil.
Işık kaynaklarına sahip diğer PEEM mikroskopları ile karşılaştırıldığında, Berkeley Lab'ın PEEM3 mikroskobu daha yüksek bir X-ışını insidans açısına sahiptir ve gölge etkilerini azaltır. Güneş ışığı belirli bir açıyla yüzeyde parladığında oluşan bir yapının izdüşümüne benzer. Farhan şunları söyledi: "Aslında kaydedilen görüntülerde herhangi bir gölge efekti yok. Bu, PEEM3'ü bu projenin başarısının temel unsuru haline getiriyor."
Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi: 190K sıcaklıkta kaydedilen bu XMCD (X-ışını manyetik dairesel dikroizm) görüntü dizisi, bir manyetik tek kutupun sıcaklık değişimlerine göre nasıl oluştuğunu ve hareket ettiğini gösterir.
(Resim kaynağı: Farhan / Berkeley Lab)
Farhan, PEEM3'ün kullanıcılara 100 Kelvin aralığında (eksi 280 Fahrenheit altında) tam sıcaklık kontrolü verebilen dünyadaki tek minyatür mikroskop olduğunu ve yapay donmuş buzdan çıkan manyetik monopollerin sıvıya nasıl eridiğini gerçek zamanlı olarak yakalayabildiğini sözlerine ekledi. Ve sıvı buharlaşarak gaz benzeri bir manyetik yüke (plazma adı verilen bir madde hali) dönüşür.
değer
Bu araştırma, daha küçük ve daha güçlü depolama cihazlarının, mikro elektroniklerin ve verileri depolamak için manyetik dönüş kullanan yeni nesil sabit disklerin sırlarını ortaya çıkaracak.
Şimdi, araştırmacılar daha küçük ve daha küçük nanomanyetikleri karakterize etmeyi ve böylece daha küçük ve daha güçlü spintronikleri geliştirmeyi umuyorlar. Spintronics çok popüler bir mikroelektronik alanıdır ve manyetik sabit diskler gibi daha küçük cihazlarda daha fazla veri depolamak için parçacıkların manyetik dönme özelliklerini kullanır.
Bu cihazlar, geleneksel manyetik depolama cihazlarındaki "0" ve "1" e benzer şekilde, manyetik tek kutupları yerleştirmek ve manipüle etmek, verileri kuzey ve güney kutuplarına göre sınıflandırmak ve seçmek için manyetik ince filmler ve süper iletken ince filmler kullanır.
Anahtar kelime
Manyetizma, spin, fizik, elektron
Referans
[1] https://newscenter.lbl.gov/2019/03/04/how-to-catch-a-magnetic-monopole-in-the-act/
[2] S. Y. Bodnar ve diğerleri, Néel dönme yörünge torkları ve büyük anizotropik manyetoresistance tarafından antiferromanyetik Mn2Au yazma ve okuma, Nature Communications 9, 24 Ocak 2018, DOI: 10.1038 / s41467-017-02780-x
3 Pollard, SD, Garlow, JA, Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., and Yang, H. (2017, March 10). Lorentz ile kobalt / paladyum çok katmanlı stabil Néel skyrmionlarının gözlemlenmesi transmisyon elektron mikroskobu, Nature Communications.
[4] Alan Farhan, Michael Saccone, Charlotte F. Petersen, Scott Dhuey, Rajesh V. Chopdekar, Yen-Lin Huang, Noah Kent, Zuhuang Chen, Mikko J. Alava, Thomas Lippert, Andreas Scholl, Sebastiaan van Dijken. Acil manyetik makroskopik olarak dejenere yapay spin buzunda monopol dinamikleri Science Advances, 2019; 5 (2): eaav6380 DOI: 10.1126 / sciadv.aav6380
