[技術(shù)前沿]磁性量子材料為下一代計(jì)算架構(gòu)給予新方向
磁性材料中的結(jié)可能為下一代計(jì)算架構(gòu)給予一個(gè)新的開展方向。為此，研究人員現(xiàn)在創(chuàng)造了一種新穎的磁性結(jié)，看起來像肉桂扭曲的微小磁化版本。同樣的磁節(jié)——嵌入磁性材料中，有點(diǎn)像嵌入半導(dǎo)體晶格中的電子空穴——可能是打破當(dāng)今計(jì)算所陷入的二維平面的因素之一。
拓?fù)涮匦砸蚱鋱?jiān)固性而引人注目：如果不對(duì)足球施加一些暴力，就無法將其變成呼啦圈。在真實(shí)材料中，拓?fù)淇梢杂脕砻枋龃呕男螤?。?dāng)晶體內(nèi)部的磁矩扭曲成拓?fù)鋸?fù)雜的結(jié)時(shí)，它們無法輕易解開，這使它們成為非常穩(wěn)定的潛在信息或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體?，F(xiàn)在，德國(guó)、中國(guó)和瑞典的研究人員在一種材料內(nèi)部創(chuàng)造了一種新型的磁節(jié)，與以前的拓?fù)渑で煌?，這種磁節(jié)可以在所有三維空間中移動(dòng)。
“If we look toward the future, most probably to make our devices the most efficient, at some point, we will have to turn towards a three-dimensional architecture. And that’s where the discovery we made in our paper might become useful.”—Nikolai Kiselev, Peter Grünberg Institute, Jülich, Germany
“在過去的幾十年里，電子學(xué)基本上是在二維系統(tǒng)的范式中開展起來的，”德國(guó)于利希的彼得·格呂恩伯格研究所的科學(xué)家Nikolai Kiselev說，“從某種角度來看，這是絕對(duì)合理的，因?yàn)閺募夹g(shù)上講，制造和維護(hù)此類設(shè)備要容易得多。但如果 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 展望未來，很可能要使 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 的設(shè)備成為最高效的設(shè)備，在某個(gè)時(shí)候， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將不得不轉(zhuǎn)向三維架構(gòu)。這就是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在論文中的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)變得有用的地方?！?/p>
Kiselev說，他們的發(fā)現(xiàn)令人驚訝，盡管他和他的合作者已經(jīng)研究了幾十年材料內(nèi)部的磁性扭曲。在多種材料中已經(jīng)觀察到一種被稱為skyrmion的拓?fù)浼ぐl(fā)。當(dāng)某些材料的圓盤被磁場(chǎng)刺穿時(shí)，它們會(huì)彈出Skyrmions。它們類似于樣本中原子磁矩的漩渦，從圓盤的底部不斷到頂部，就像一根無法解開的螺旋線。這些也因其計(jì)算潛力而備受關(guān)注。但是，由于它們像繩子一樣的性質(zhì)，它們只能在兩個(gè)維度上移動(dòng)。
該團(tuán)隊(duì)想創(chuàng)造一種被稱為skyrmion bag的東西——一種中間有一個(gè)洞的圓柱形skyrmion，可以包裹其他規(guī)則的skyrmion。相反，他們創(chuàng)造了一個(gè)完全不同的東西——一個(gè)hopfion。hopfion不是從樣品的頂部延伸到底部，而是靠近自己，就像一個(gè)橫向的Whirpol扭曲成甜甜圈。由于其結(jié)構(gòu)，hopfion不僅可以左右移動(dòng)，還可以上下移動(dòng)。Hopfions在理論上已經(jīng)被預(yù)測(cè)，但它們只是在一種特殊的合成材料中產(chǎn)生的。這是它們第一次出現(xiàn)在普通水晶中。
FORSCHUNGSZENTRUM JüLICH/NATURE
這種晶體是鐵鍺，之所以選擇它，是因?yàn)樗鼘煞N特性完美地結(jié)合在一起。一方面，鐵鍺內(nèi)部的原子具有磁矩，傾向于與它們的鄰居對(duì)齊。另一方面，晶體本身的結(jié)構(gòu)促使磁矩相對(duì)于其鄰居旋轉(zhuǎn)。這兩種效應(yīng)的相互作用使得有趣的磁節(jié)能夠在不同的條件下彈出。
只要將鐵鍺置于磁場(chǎng)中，材料中就會(huì)產(chǎn)生skyrmions。然而，為了取得hopfion，團(tuán)隊(duì)必須進(jìn)行一些精心的磁性運(yùn)動(dòng)。他們從一個(gè)指向上的小磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)移到指向下的更小的磁場(chǎng)，然后再次向上，增加到其原始值。結(jié)果并不是預(yù)期的skyrmion bag，而是圍繞著幾個(gè)skyrmion組成的三維hopfion環(huán)。Kiselev說，它們可以被刺激沿著skyrmion弦上下移動(dòng)，而不會(huì)損失任何能量。并且，Skyrmion可以被誘導(dǎo)在二維中移動(dòng)，并拖動(dòng)hopfion。
Skyrmions已被提議作為所謂賽道架構(gòu)中的存儲(chǔ)設(shè)備。順利獲得將skyrmion從賽道的一個(gè)邊緣移動(dòng)到另一個(gè)邊緣，可以存儲(chǔ)和傳輸一位信息。由于與傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備相比，skyrmions非常小，因此磁扭曲也可能成為高密度存儲(chǔ)設(shè)備的基礎(chǔ)。其他建議包括使用skyrmion在特定gate的到達(dá)時(shí)間來同時(shí)編碼多個(gè)信息位，這可能對(duì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算有用。由于hopfion在3D中移動(dòng)，它們可能會(huì)在多個(gè)軸上對(duì)其位置或到達(dá)時(shí)間中的多個(gè)信息位進(jìn)行編碼。此外，hopfion可能不會(huì)像skyrmions那樣存在技術(shù)缺陷。
Argon國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Hanu Arava沒有參與這項(xiàng)工作，他說：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在將skyrmion納入技術(shù)應(yīng)用方面遇到困難的原因之一是skyrmion霍爾效應(yīng)。這種效應(yīng)使得沿著直線驅(qū)動(dòng)Skyrmion變得非常困難。這種效應(yīng)在Hopfion中是不可預(yù)期的，這意味著 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以將Hopfion從a點(diǎn)直線發(fā)送到B點(diǎn)。因此，可以想象一種新的受大腦啟發(fā)的計(jì)算，可能需要Hopfion將其從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置?！?/p>
盡管hopfion很容易移動(dòng)，但其計(jì)算潛力的其他方面仍不確定。該團(tuán)隊(duì)使用透射電子顯微鏡對(duì)hopfion進(jìn)行成像，更有效地測(cè)量其位置是一個(gè)懸而未決的問題。該團(tuán)隊(duì)表示，他們計(jì)劃研究這些物體對(duì)電流的反應(yīng)，這有助于檢測(cè)和跟蹤它們。此外，關(guān)于hopfion編碼信息的確切方式的確切細(xì)節(jié)仍然是一個(gè)懸而未決的問題。
盡管如此，Kiselev補(bǔ)充道，許多像這樣的問題還沒有答案。“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 以前甚至沒有想過這種物體，它非常、非常新鮮，在某種程度上也讓 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 感到非常驚訝，充滿了一些神秘和未知的問題。” Arava對(duì)此表示贊同：“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 必須把這個(gè)結(jié)果視為第一步，因?yàn)檫€有很多懸而未決的問題。然而，這一發(fā)現(xiàn)打開了3D磁性物體的世界?！?/p>
文章來源：IEEE電氣電子工程師
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