Spintronics, bilgiyi işlemek için elektronların içsel açısal momentumunu kullanan, potansiyel olarak bilgisayarları daha hızlı ve enerji açısından daha verimli hale getiren umut verici bir bilgisayar teknolojisi yaklaşımıdır. Araştırmacılar manyetik girdaplar veya skyrmionlar üzerinde deneyler yapıyor ve yakın zamanda sentetik antiferromıknatıslar kullanarak bunların yayılma hızlarını on kat artırarak verimli spin tabanlı hesaplamanın önünü açtı.
Almanya ve Japonya’daki araştırmacılar skyrmion adı verilen manyetik girdapların yayılmasını on kat artırmayı başardık.
Günümüzün dünyasında, bilgisayarsız yaşamlarımız düşünülemez. Şimdiye kadar bu cihazlar, yük taşıyıcı olarak öncelikle elektronları kullanarak bilgiyi işliyor ve bileşenlerin kendisi de bu süreçte önemli ölçüde ısınıyor. Bu nedenle aktif soğutma gereklidir ve bu da yüksek enerji maliyetlerini beraberinde getirir. Spintronics bu sorunu çözmeyi hedefliyor: Bilgi işleme için elektron akışını kullanmak yerine, onların dönüşlerine veya içsel açısal momentumlarına güveniyor. Bu yaklaşımın bilgisayarların veya belirli bileşenlerin boyutu, hızı ve sürdürülebilirliği üzerinde olumlu bir etki yaratması bekleniyor.
Magnetic Whirls Bilgiyi Depolar ve İşleme
Bilim çoğu zaman yalnızca bilgisayarın dönüşünü dikkate almaz. bireysel bir elektrondan ziyade çok sayıda dönüşten oluşan manyetik girdaplardır. Skyrmion adı verilen bu girdaplar, manyetik metalik ince katmanlar halinde ortaya çıkıyor ve iki boyutlu yarı parçacıklar olarak değerlendirilebiliyor. Bir yandan, ince katmanlara küçük bir elektrik akımı uygulanarak girdaplar kasıtlı olarak hareket ettirilebilir; Öte yandan yayılma nedeniyle rastgele ve son derece verimli bir şekilde hareket ederler. Skyrmions’a dayalı işlevsel bir bilgisayar yaratmanın fizibilitesi, Profesör Dr. Mathias Kläui liderliğindeki Johannes Gutenberg Üniversitesi Mainz’den (JGU) bir araştırmacı ekibi tarafından bir ilk prototip kullanılarak gösterildi. Bu prototip, bazıları yalnızca birkaç atomik katman kalınlığında olan ince, istiflenmiş metalik katmanlardan oluşuyordu.
Antiferromanyetik olarak bağlanmış iki skyrmion: Merkezdeki dönüş ve dıştaki dönüşler birbirine antiparaleldir. Kredi: ill./©: Takaaki Dohi / Tohoku Üniversitesi
Enerji Verimliliğini Artırma
Mainz Üniversitesi araştırmacıları, Japonya’daki Konstanz Üniversitesi ve Tohoku Üniversitesi ile işbirliği yaparak şu sonuca ulaştı: Döndürme tabanlı, alışılmadık hesaplamaya doğru bir adım daha: Sentetik antiferromıknatıslar kullanarak skyrmionların yayılmasını yaklaşık on kat artırmayı başardılar, bu da enerji tüketimini büyük ölçüde azalttı ve böylesine potansiyel bir bilgisayarın hızını artırdı. Konstanz’daki projenin teorik kısmını yöneten Profesör Dr. Ulrich Nowak, “Elektronik cihazlarda enerji kullanımının azaltılması, temel araştırmalardaki en büyük zorluklardan biridir” diye vurguladı.
Antiferromıknatısların Gücü{10 }
Peki antiferromıknatıs nedir ve ne için kullanılır? Normal ferromıknatıslar, hepsi aynı yöne işaret edecek şekilde birbirine bağlanan birçok küçük dönüşten oluşur ve böylece büyük bir manyetik moment yaratır. Antiferromıknatıslarda, dönüşler dönüşümlü olarak antiparalel olarak hizalanır, yani bir dönüş ve onun doğrudan komşuları ters yöne işaret eder. Sonuç olarak, dönüşler antiferromanyetik olarak iyi düzenlenmiş kalsa da net bir manyetik moment yoktur. Antiferromıknatısların anahtarlama için üç büyüklükte daha hızlı dinamik, daha iyi stabilite ve daha yüksek depolama yoğunluğu potansiyeli gibi önemli avantajları vardır. Bu özellikler birçok araştırma projesinde yoğun bir şekilde incelenmektedir.
Bu antiferromıknatısların bu bağlamda neden yararlı olduğunu anlamak için biraz daha derine inmemiz gerekiyor. Skyrmion’lar çok hızlı hareket ettiğinde ferromanyetik katmanlarda hareket yönüne dik ek bir kuvvet bileşeni ortaya çıkar. Bu kuvvet bileşeni skyrmionları rotasından uzaklaştırır. Sonuçta duvara çarpıyorlar, sıkışıp kalıyorlar ve başkalarının yolunu kapatıyorlar. Daha yüksek hızlarda yok edilebilirler bile. Ancak teorik olarak bu etkinin antiferromıknatıslarda meydana gelmediği veya çok sınırlı ölçüde meydana geldiği bilinmektedir.
Sentetik Antiferromıknatıslardaki Gelişmeler
Böyle bir antiferromıknatısı yapay olarak oluşturmak için araştırmacılar, ferromanyetik katmanlarından ikisini, iki katmandaki mıknatıslanmanın zıt yönlerde tam olarak hizalanacağı ve manyetik alanlarını iptal edecek şekilde ayarlar. Bu iki avantaj sağlar: Anaforları yollarından uzaklaştıran kuvveti azaltırlar ve böylece yayılmayı arttırırlar. JGU’dan fizikçi Klaus Raab, “Bununla, skyrmionların difüzyonunun bireysel katmanlara göre yaklaşık on kat daha yüksek olduğu sentetik bir antiferromıknatıs yarattık” dedi. “Bu yayılma, parçacıkların rastgele hareketi gibi stokastik süreçlerin kullanıldığı bir hesaplama biçimi olan stokastik hesaplamayı gerçekleştirmek için uygulanabilir.”
Araştırma ekibi ayrıca manyetik katmanların telafisinin etkilerini de araştırdı. Hem deneysel olarak hem de simülasyonlar yoluyla, skyrmionların sıcaklığının ve boyutunun difüzyon ve dolayısıyla skyrmionların hareketi üzerindeki etkisi. Karmaşık bağlantılar bulundu: Sıcaklık arttıkça, skyrmionlar daha hızlı yayılmak için daha fazla enerjiye sahip oluyor. Isı aynı zamanda skyrmionların boyutunu da azaltır, bu da hareketliliklerini olumlu yönde etkiler. Dikey kuvvet bileşeninin telafisinin de difüzyon üzerinde olumlu bir etkisi vardır. Tüm bu etkileri birbirinden ayırmak zordur. Raab, “Artan yayılma, yalnızca manyetik alanların saf telafisine değil, aynı zamanda skyrmionların boyutlarındaki buna bağlı azalmaya da atfedilebilir gibi görünüyor” diye özetledi.
Çalışmayı yöneten Profesör Mathias Kläui, Tohoku Üniversitesi ile yapılan verimli işbirliğinden memnun: “Yaklaşık on yıldır bu önde gelen Japon üniversitesiyle çalışıyoruz ve hatta ortak çalışma programları bile var. Alman Akademik Değişim Servisi (DAAD) ve diğer araştırma fon sağlayıcılarının desteğiyle, Mainz Üniversitesi’nden bir düzineden fazla öğrenci Tohoku Üniversitesi ile değişim programlarına katılmıştır. Bu işbirlikçi çabanın bu iş birliği sayesinde mümkün kılınmasından büyük mutluluk duyuyorum.”
Araştırma sonuçları yakın zamanda Nature Communications dergisinde yayınlandı.
Referans: “Gelişmiş termal olarak etkinleşen skyrmion difüzyonu ayarlanabilir etkili jirotropik kuvvetle” Yazan: Takaaki Dohi, Markus Weißenhofer, Nico Kerber, Fabian Kammerbauer, Yuqing Ge, Klaus Raab, Jakub Zázvorka, Maria-Andromachi Syskaki, Aga Shahee, Moritz Ruhwedel, Tobias Böttcher, Philipp Pirro, Gerhard Jakob, Ulrich Nowak ve Mathias Kläui, 11 Eylül 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-40720-0