Vòng xoáy từ trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu trong tương lai

Skyrmions từ tính (chống) là những xoáy nhỏ bằng kính hiển vi được tìm thấy trong các lớp vật liệu từ tính đặc biệt. Những vật thể nano này có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu số bằng sự hiện diện hoặc vắng mặt của chúng trong một chuỗi dọc theo dải từ. Một nhóm các nhà khoa học từ Viện Max Planck (MPI) của Vật lý vi cấu trúc ở Halle và cho Vật lý hóa học của chất rắn ở Dresden và Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) hiện đã đưa ra quan sát rằng các loại thuốc nổ và phản quang có thể cùng tồn tại khả năng mở rộng khả năng của họ trong các thiết bị lưu trữ. Kết quả được công bố trên tạp chí khoa học Nature Communications .

Với khối lượng dữ liệu số ngày càng tăng từ số lượng thiết bị ngày càng tăng, nhu cầu về dung lượng lưu trữ dữ liệu đã được tăng cường đáng kể trong vài năm qua. Công nghệ lưu trữ thông thường đang vật lộn để theo kịp. Đồng thời, mức tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng của các thiết bị này – ổ đĩa cứng (HDD) và bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) – đang mâu thuẫn với bối cảnh năng lượng “xanh”. Yêu cầu là các thiết bị hoàn toàn mới có hiệu suất cao hơn với mức tiêu thụ năng lượng giảm đáng kể.

Một đề xuất đầy hứa hẹn là thiết bị lưu trữ bộ nhớ đường đua từ tính. Nó bao gồm các sọc từ tính nano (đường đua) trong đó dữ liệu được mã hóa trong các vật thể nano từ tính, thường là do sự hiện diện hoặc vắng mặt của chúng tại các vị trí xác định. Một vật thể nano có thể là một skyrmion từ tính (chống): đây là một vòng xoáy từ hóa cực kỳ ổn định với kích thước có thể thay đổi từ micromet đến nanomet. Các đối tượng này có thể được viết và xóa, đọc và quan trọng nhất là di chuyển theo dòng điện, do đó cho phép đường đua được vận hành mà không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào. “Bằng cách xếp chồng một số đường đua lên nhau để tạo ra một thiết bị lưu trữ bộ nhớ ba chiều bẩm sinh, dung lượng lưu trữ có thể tăng mạnh so với các ổ đĩa trạng thái rắn và thậm chí cả ổ đĩa cứng. Ngoài ra, một thiết bị bộ nhớ đường đua như vậy sẽ hoạt động ở mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị lưu trữ thông thường. Nó sẽ nhanh hơn nhiều, và sẽ nhỏ gọn và đáng tin cậy hơn nhiều, “Giáo sư Stuart Parkin, giám đốc MPI của Vật lý vi cấu trúc tại Halle và Giáo sư Alexander von Humboldt tại MLU giải thích.

Skyrmions và antiskyrmions là những vòng xoáy từ tính ‘đối nghịch’. Tuy nhiên cho đến gần đây, người ta tin rằng hai vật thể riêng biệt này chỉ có thể tồn tại trong các loại vật liệu khác nhau. Nhóm nghiên cứu từ các viện Max Planck ở Halle và Dresden và MLU hiện đã phát hiện ra rằng antiskyrmions và skyrmions có thể cùng tồn tại trong một số điều kiện trong cùng một vật liệu. Tiến sĩ Börge Göbel, một thành viên của nhóm nghiên cứu của Mertig đã đưa ra lời giải thích lý thuyết cho những quan sát thử nghiệm bất ngờ được thực hiện bởi Jagannath Jena trong nhóm Parkin. Các vật liệu đơn tinh thể đo được, các hợp chất Heusler, đã được Tiến sĩ Vivek Kumar chuẩn bị trong nhóm của Giáo sư Claudia Felser tại MPI ở Dresden.

Skyrmions và antiskyrmions được ổn định trong các vật liệu khác nhau bằng một tương tác từ tính được gắn trực tiếp với cấu trúc của vật liệu chủ. Trong một số vật liệu chỉ có skyrmions có thể hình thành, trong khi trong các vật liệu khác, antiskyrmions được ưa thích về mặt năng lượng bởi sự tương tác này. Tuy nhiên, điều mà trước đây đã bị bỏ qua là các nam châm riêng lẻ trong mỗi vật liệu (“lưỡng cực từ”) cũng tương tác đáng kể với nhau thông qua tương tác lưỡng cực – lưỡng cực của chúng. Sự tương tác này luôn thích skyrmions. Vì lý do này, ngay cả “vật liệu antiskyrmion” có thể biểu hiện skyrmions (nhưng không phải ngược lại). Điều này xảy ra tốt nhất là khi nhiệt độ hạ thấp. Ở nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn, hai vật thể riêng biệt cùng tồn tại.

Bên cạnh sự liên quan cơ bản của nó, phát hiện này cho phép một phiên bản nâng cao của lưu trữ dữ liệu bộ nhớ đường đua, ví dụ, trong đó một chuỗi bit có thể được mã hóa bởi một chuỗi skyrmions (‘1’ bit) và antiskyrmions (‘0’ bit). Khái niệm này sẽ đáng tin cậy hơn so với đường đua thông thường.

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Jagannath Jena, Börge Gotev, Tianping Ma, Vivek Kumar, Rana Saha, Ingrid Mertig, Claudia Felser, Stuart SP Parkin. Cặp song sinh chong chóng hình elip Skyrmion trong một hệ thống antiskyrmion . Truyền thông tự nhiên , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-14925-6