Магнитоионные вихри или «вортионы» позволяют достичь беспрецедентного уровня контроля магнитных свойств в наномасштабе и при комнатной температуре. Технологию предлагают использовать для разработки энергоэффективных устройств хранения данных и имитации работы синапсов нейронов.
Международная группа исследователей экспериментально получила новое магнитное состояние — магнитоионный вихрь. Это крошечный магнитный вихрь, который управляет с беспрецедентной точностью движением ионов под действием электрического поля. Управляемые вортионы помогут создать новое поколение энергоэффективных устройств для хранения данных, считают ученые.
Активное использование больших данных и систем искусственного интллекта привело к значительному увеличению энергопотребления центрами обработки данных. Традиционные способы хранения информации полагаются на электричество для записи данных. При этом существенная часть энергии теряется при выделении тепла.
Альтернативный подход основан на управлении магнитной памятью с помощью напряжения вместо электрического тока. Теоретически он может существенно минимизировать потери энергии. Для хранения данных с высокой плотностью в таких устройствах нужна технология, которая позволяет быстро изменять управлять магнитыми состояниями в наномасштабе.
Исследователи предлагают использовать для этого крошечные магнитные вихри. Они представили технологию, которая позволяет точно контролировать магнитные свойства наноразмерных точек в парамагнетике FeCoN с помощью извлечения ионов азота при приложении напряжения. В результате этого процесса формируются различные магнитные состояния, включая вихри с различными свойствами или состояния с однородной магнитной ориентацией.
Благодаря разработанным нами «вихревым полям» мы можем получить беспрецедентный контроль над магнитными свойствами, такими как намагниченность, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, анизотропия или критические поля, при которых образуются или уничтожаются вихревые поля.
Ирена Спасоевич, научный сотрудник кафедры физики Университета Алабамы и соавтор исследования
Работа магнитоионного вихря. Изображение: Irena Spasojevic et al., Nature Communications
Запись данных с использованием напряжения вместо электрического тока предотвращает нагрев устройств и значительно снижает потери энергии. В экспериментах физики показали, что с помощью точного управления толщиной магнитного слоя, создаваемого напряжением, можно контролируемо и обратимо изменять магнитное состояние материала между немагнитным состоянием, состоянием с однородной магнитной ориентацией и магнитоионным вихревым состоянием.
Одно из потенциальных применений «вортионов» связано с их способностью имитировать поведение синапсов — контактов между нейронами. Подобно тому, как синапсы в мозге имеют разную интенсивность, которая динамически адаптируется в соответствии с активностью и процессом обучения, «вортионы» могут обеспечить настраиваемые нейронные синаптические веса для нейроморфных устройств.
Активность биологических нейронов и синапсов также контролируется электрическими сигналами и миграцией ионов, как и в наших магнито-ионных устройствах.
Ирена Спасоевич, научный сотрудник кафедры физики Университета Алабамы и соавтор исследования
