Вчені створили нову магнітну квазічастинку — вортіон

Вчені створили новий магнітний стан — магніто-іонний вихор, або «вортіон». Їх розробка забезпечує точний контроль магнітних властивостей на наномасштабі за кімнатної температури і прокладає шлях для більш енергоефективних обчислювальних пристроїв. З поширенням машинного навчання та інструментів, заснованих на ньому, всі компанії почали намагатися працювати з великими даними. Це спричинило помітне зростання енергоспоживання. У більшості випадків для запису інформації використовують електричні струми, а оброблювальні дані пристрої нагріваються і втрачають частину енергії.

Якщо використовувати магнітні пристрої та керувати ними за допомогою напруги, а не струму, можна значно скоротити енерговитрати. Для таких пристроїв можна використовувати магніто-іонні матеріали. Їх властивості можна змінювати, додаючи або видаляючи іони через зміну полярності напруги. Досі більшість дослідників працювали із суцільними плівками магніто-іонних матеріалів, а не на управлінні окремими «бітами». При цьому для забезпечення зберігання даних із високою щільністю вченим та інженерам потрібно добитися контролю саме над мінімальними одиницями зберігання інформації.

Міжнародна група вчених знайшла рішення, що дозволяє керувати магніто-іонними матеріалами з високою точністю. Вони об’єднали магніто-іонні ефекти та магнітні вихори в новому магнітному стані — вортіоні. Наукова стаття опублікована в журналі Nature Communications.

На масштабі близько мікрометра в матеріалах можуть виникати явища, відсутні в більших системах, наприклад, магнітні вихори — невеликі структури, що нагадують спіралі. Їх використовують для запису та читання магнітних даних та в біомедичні. Проте змінити стан вже існуючого вихору або неможливо, або потребує значних витрат енергії. Сформований вченими вортіон дозволяє з високою точністю контролювати магнітні властивості наноструктур у формі точок. Дослідники регулюють необхідні параметри з допомогою видалення іонів азоту з допомогою напруги. Це робить управління вортіонами енергоефективним.

Це принципово новий об’єкт на наномасштабі. Існує величезний попит на управління магнітними станами на цьому рівні, але, що дивно, більшість досліджень у галузі магніто-іонних ефектів досі була зосереджена на суцільних матеріалах. Якщо ж розглянути вплив руху іонів у дискретних наноструктурах, наприклад у вивчених нами наноточках, стає очевидно, що в них з’являються унікальні зміни спинів, що динамічно змінюються», — пояснив керівник дослідження Хорді Сорт (Jordi Sort ).

Конфігурація спинів та магнітні властивості вихорів залежать від тривалості прикладеної напруги. Наноточки, які спочатку не володіють магнітними властивостями, можна перевести в кілька станів — від магнітних вихрів з різними характеристиками до стану з однорідною магнітною орієнтацією.

«За допомогою створених нами вортіонів ми можемо безпрецедентно точно управляти такими магнітними властивостями, як намагніченість, коерцитивна сила, залишкова намагніченість, магнітна анізотропія та критичні поля, за яких вихори виникають чи зникають. Ці властивості ключові для зберігання інформації в магнітних пристроях, що запам’ятовують, а тепер їх можна налаштовувати аналоговим і оборотним способом, активуючи процес напругою і споживаючи при цьому мінімальну кількість енергії», — розповіла перша автор статті Ірена Спасоєвич (Irena Spasojević ).

Вчені також припустили, що магніто-іонні вихори, що налаштовуються, можуть використовуватися в нейромережах в якості динамічних синапсів, здатних імітувати роботу біологічних синапсів. У мозку зв’язку між нейронами — синапси — мають різні «ваги» (силами), які змінюються в процесі навчання. Робота біологічних нейронів та синапсів теж управляється електричними сигналами та міграцією іонів, як і властивості вортіонів.

Вортіони можуть допомогти вченим створити синаптичні ваги, що настроюються, у вигляді керованої намагніченості або магнітної анізотропії для нейроморфних спинтронних пристроїв. Дослідники вважають, що, крім нейроморфних обчислень, аналогових систем і багатошарових пристроїв, що запам’ятовують, «вортіони» можуть знайти застосування в медицині (наприклад, у методах терапії), захисті даних і обчисленнях, заснованих на магнітних спинах. Використання напруги замість електричного струму дозволяє знижувати та запобігати перегріву пристроїв, таких як ноутбуки, сервери та центри обробки даних, значно знижуючи втрати енергії.