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Skyrmions打开了进入下一级数据存储的大门

2018-02-24 12:08大渝新闻网编辑:admin人气:




物理学家像水手和探索者一样知道结实的力量。
 
一些物理学家已经将他们对新一代数据存储的期望与微小的结状结构联系起来,称为skyrmions,它可以在磁性材料中形成。难以置信的微小和难以消除的磁场,可以帮助人类对越来越小的电子设备的饥饿感。
 
在传统的硬盘上,存储数据的磁性区域大约是最小高度的10倍。法国Palaisesau的UnitéMixte de Physique CNRS / Thales物理学家Vincent Cros表示,“直径从几纳米到几百纳米,可能是最小的磁系统......可以想象或可以在自然界实现。
 
更重要的是,skyrmions可以很容易地穿过材料,通过电流推动。磁性结的灵活性表明,将数据存储在计算机中的天空可能会穿梭到传感器,当天空飞逝时,传感器将读取信息。相比之下,传统硬盘驱动器通过将机械臂移动到旋转盘上的适当区域来读取和写入数据(SN:10/19/13,第28页)。这些运动部件往往很脆弱,任务减慢了数据回忆。科学家们希望有朝一日能够为更耐用,更快,更小巧的小玩意做出贡献。
 
然而,有一件事却一直悬而未决:直到最近,它们才能在寒冷的寒冷中得到创造和控制。当固态物理学家Christian Pfleiderer及其同事首次报道2009年在科学界发现磁暴时,这些结并不切合实际,需要约30开尔文(-243摄氏度)的非常低的温度。那些是“你会说'的条件,'这对任何人都没有用,'”慕尼黑科技大学的Pfleiderer说。
 
尽管它们很挑剔,难以控制,但它们终于摆脱了寒冷。现在,科学家们正在寻找解决方案来创造具有所有理想特性的解冻天空。与此同时,研究人员正在追逐新的高峰,这可能更适合数据存储。Pfleiderer说,天空领域“已经开始发展自己的生活。”

记忆在磁铁
在诸如铁之类的磁性材料中,每个原子就像一个带有自己的北极和南极的小型磁棒。这种磁化来自自旋,原子电子的量子特性。在铁磁体中,一个标准的磁体就像那个拿着你的冰箱上的杂货清单的磁体,原子的磁极指向相同的方向(SN Online:5/14/12)。
 
居住在这些磁性栖息地内的Skyrmion由原子组成,其磁极取向为螺旋状。那些螺旋的磁化扰乱了磁体中原子的有序排列,就像新鲜梳理过的头发中的牛仔一样。在天空中,原子极点的方向会扭曲,直到中心的磁化指向与外部磁化方向相反的方向。这种扭曲难以消除,就像一个强大的结(SN在线:10/31/08)。所以skyrmions不会自发地消失 - 对于长期数据存储是一个加号。
 
使用各种结节来存储信息有着悠久的历史。古印加人使用khipu,一个打结的绳子系统,以保存记录或发送消息(SN Online:5/8/17)。在一个更现代的例子中,Pfleiderer说,“如果你不想忘记某件事,那么你就在手帕上打个结。”Skyrmions可以延续这个传统。
在正确的轨道上
Skyrmions是一种“准粒子”,它是一种物质中的一种干扰,其行为类似于单个粒子,尽管它是许多单个粒子的集合体。虽然暴风云是由原子构成的,但原子在物质中保持静止,天空可以像真正的粒子一样移动,从一组原子滑动到另一组原子。汉堡大学的凝聚态物理学家克尔斯滕冯伯格曼说:“磁性只是扭曲,因此高空飞行,”。
 
事实上,skyrmions最早是在粒子的背景下提出的。大约60年前,英国物理学家Tony Skyrme提出了他的名字,称中子和质子等粒子可以被认为是一种结。在20世纪80年代后期,物理学家认识到支持Skyrme想法的数学也可以代表固体材料磁化的结。
 
研究人员后来提出,这种突变可以用于未来的数据存储方案。一连串的飞机可以在计算机内对位进行编码,并且存在代表1的天空和不存在代表0的情况。
 
特别值得一提的是,2013年在自然纳米技术领域 Cros和他的同事们提出了所谓的“跑道”记忆的理想选择。在赛道设备中,信息控制的高空速度将沿着磁性纳米带加速,就像印第安纳波利斯赛道上的汽车一样。
 
固态物理学家Stuart Parkin多年前提出了跑道概念的第一个版本。在2008年的科学论文中,帕金和他的同事们展示了赛车记忆的起点并不是基于上升速度,而是基于畴壁的磁性特征,这些特征将材料中磁化方向不同的区域分开。这些畴壁可以用电流沿着轨道推向传感器,读出编码的数据。为了最大限度地利用空间,赛道可以直线上下循环(就像野生马里奥卡丁车赛道一样),因此可以使用比扁平芯片更多的数据打包3-D内存。
 
驾驶它
在“赛道”记忆中,可以创建skyrmions以表示0或1.通过电流推动,磁轮将传播到传感器进行读取。将轨道压缩成循环(插入)会将数据存储在更小的空间中。 
 
 
T. TIBBITTS
来源:S. Krause和R. Wiesendanger / Nature Materials 2016
 
“当我多年前首次提出[赛道记忆]时,我认为人们非常怀疑,”现在在德国哈勒马克斯普朗克微结构物理研究所工作的帕金说。今天,这个想法 - 无论是否有暴跌 - 都已经流行起来。跑道记忆正在实验室进行测试,但该技术尚未在计算机上使用。
 
为了使这样一个系统能够在高温下工作,科学家们需要在室温下使结更容易缠绕。对于基于skyrmion的跑道记忆与现有技术的竞争来说,飞行速度必须很小,并且能够快速轻松地通过材料。他们应该很容易创建和摧毁,使用简单的电流。这些是崇高的要求:一个要求向前迈进有时会导致其他要求退步。但是科学家正在更接近于控制磁性奇迹。
 
加热
Pfleiderer和他的同事们发现的第一次磁暴是自发地出现在具有不对称结构的晶体中,这种晶体会在相邻原子之间产生扭曲。只有某些材料具有高度友好的不对称结构,限制了研究准粒子或在较温暖的条件下诱导它们形成的可能性。
 
很快,物理学家开发了一种通过在薄层中沉积材料来人工制造不对称结构的方法。不同层原子之间的相互作用可以引起原子取向的扭曲。“现在,我们可以突然使用普通的磁性材料,将它们与其他材料巧妙地结合起来,并使它们在室温下工作,”伊利诺州阿贡国家实验室的材料科学家Axel Hoffmann说。
 
科学家们首次在铱顶部的一层铁原子层上产生了这样的薄膜,但温度仍然很低。在2011 年的自然物理学报告中,那些薄膜暴涨需要一个寒冷的11开尔文(-262°C)。这是因为铁薄膜在超过一定温度时失去了磁性,与汉堡大学的纳米科学家Roland Wiesendanger及其同事一起合作研究这项研究的冯伯格曼说。但较厚的薄膜可以在较高的温度下保持磁性。所以,“重要的一步是增加磁性材料的数量,”冯伯格曼说。
 
为了变得更厚,科学家们开始堆叠各种磁性和非磁性材料的片材,例如具有重复的肉,奶酪和面包层的俱乐部三明治。研究人员在2016年5月的Nature Nanotechnology上报告称,Cros和同事堆积多层铱,铂和钴,创造了第一个小于100纳米的室温升高。
 
通过调整材料的类型,层数和厚度,科学家可以为设计师设计出具有理想性能的天空。当新加坡南洋理工大学的凝聚态物理学家Christos Panagopoulos和同事弄乱了铱,铁,钴和铂层的组成时,各种各样的暴涨纷纷涌现。将导致结进来大小不同,有些人比其他人更稳定,研究人员发表在自然材料在九月2017年
 
尽管科学家们现在知道如何制造室温高温,但耐热漩涡(直径数十纳米到数百纳米)往往太大而不是非常有用。Wiesendanger说:“如果我们想要与当前最先进的技术竞争,那么我们必须选择尺寸比100纳米小得多的天空物体。” 目的是将温暖的天空降低到几纳米。
 
布洛赫skyrmion
被发现的第一种类型的飞机,称为布洛赫飞机,出现在不对称的晶体中。磁极在圆周上倾斜。  
 
 
ELLA MARU工作室
内尔skyrmion
在Néel高空,磁极向外倾斜而不是在圆周上,就像他们在Bloch天空中那样。
 
 
ELLA MARU工作室
Antiskyrmion
最新发现的抗盐化剂就像Néel和Bloch飞机之间的一种杂交,并且可能对记忆设备有一些优势,例如耐受一定范围的温度。 
 
 
 ELLA MARU工作室
正如有些人试图缩小房间温度的上升速度,其他人正在加快速度,以便快速读取和写入数据。在2016 年Nature Materials杂志上发表的一项研究中,室温下的高速达到每秒100米(约每小时220英里)的最高速度。恰如其分地说,NASCAR司机实现了最快的速度。研究合着者MathiasKläui说,一个高速公路跑道实际上可能会起作用,这是德国美因茨约翰内斯古腾堡大学的凝聚态物理学家。“从根本上说,它在室温下是可行的。”但是为了与可以达到700米/秒以上速度的畴壁竞争,暴涨仍然需要气体。
 
尽管取得了进展,但还有几个挑战需要解决。一个可能的问题:一个skyrmion的旋转模式使其表现得像一个旋转的物体。“当你有一个旋转的物体在移动时,它可能不想直线移动,”霍夫曼说。“如果你是一名糟糕的高尔夫选手,你就会知道这一点。”快节奏并不像电流那样沿着相同的方向移动,而是与它成一个角度。在赛道上,天空可能撞墙,而不是留在车道上。现在,研究人员正在寻找新的方法来保持正轨。
 
一个新的转折
正如不止一种方式打结一样,有几种不同类型的狂暴,形成各种形状的磁性扭曲。两个最着名的类型是Bloch和Néel。Bloch skyrmions存在于厚厚的不对称晶体中,在这些晶体中首次发现了隆起,Néel隆起倾向于在薄膜中出现。
 
“你所得到的高温类型与材料的晶体结构有关,”德国德累斯顿马克斯普朗克固体化学物理研究所的物理化学家Claudia Felser说。Felser研究Heusler化合物,这些材料具有不寻常的特性,特别适用于操纵磁性。Felser,Parkin和他的同事发现了一种新型的飞沫,一种抗盐剂,在这种材料的薄层中。他们在2017年8月的Nature上报告了这个发现。
 
Parkin说,反恐可能会避免他们的亲戚所面临的一些陷阱。“有可能,他们可以用直线移动,而不是移动到一边。”这种直射射击可能更适合跑道方案。所观察到的抗烷基化合物在很宽的温度范围内都是稳定的,包括室温。反天秤也可能缩小比其他类型的天空。
 
物理学家现在正在寻找不同领域的飙升:反铁磁材料。与反铁磁体中的铁磁材料(其中原子全部对齐它们的极点)不同,原子的极点指向交替的方向。如果一个原子指向,其邻居指向下。像抗锈蚀剂一样,反铁磁飞行器不会与电流形成一定的角度,所以它们应该更容易控制。Kläui说,反铁磁飞行速度也可能会加快。
 
Kläui说,材料科学家仍然需要找到具有必要特性的反铁磁材料以形成高速飞行。“我预计这将在未来几年实现。”
 
找到结的利基
一旦飞机的行为符合要求,用它们创建赛道记忆是明显的下一步。Kläui说:“这是一项融合了多种世界最佳技术的技术 - 稳定性,易于访问的数据和低能耗要求。但是Kläui和其他人承认前冲赛道的回忆有前途的障碍。这些研究人员说,这将很难打败传统的磁性硬盘驱动器 - 更不用说新型计算机中可用的闪存 - 同时存储密度,速度和成本。
 
“跑道的想法,我很怀疑,”霍夫曼说。相反,skyrmions可能会用于执行计算的设备。由于只需要很小的电流就可以移动周围的空间,因此这些设备可能会用于创建高能效的计算机处理器。
 
另一个想法是使用生物启发式计算机的冒险,试图模仿人类大脑(SN:9/6/14,第10页)。大脑消耗的功率与灯泡大约相当,但由于神经细胞的大量互连网络,可以执行计算机仍无法比拟的计算。Skyrmions可以帮助科学家在实验室中实现这种计算,而不会浪费太多的力量。
 
 
在理论中 如果发现,当被电流推动时,反铁磁摩擦会沿着一条直线移动。它们会出现在具有交变磁极的原子的材料中。
X. ZHANG,Y. ZHOU,M . EZAWA / SCIENTIFIC REPORTS 2016,改编为E. OTWELL
北京航空航天大学的电气工程师赛丽和同事们表示, 单一的天空可能像神经细胞或神经元。在人体中,神经元可以累加邻居的信号,逐渐在其膜上产生电压。当该电压达到某个阈值时,离子开始以波的形式在膜上移动,产生电脉冲。Skyrmions可以模仿这种行为:电流会推动沿着轨道的高空,而行进的距离作为神经元增加电压的模拟。研究人员于2017年7月在纳米技术中提出,最终到达探测器的天空将等同于发射神经元。
通过结合大量模拟神经元的高峰,科学家们可以创建一台运行类似大脑的计算机。
 
关于如何使用磁性旋转的其他想法正在不断涌现。“这仍然是一个不断增长的领域,”冯伯格曼说。“前面有几个新想法。”
 
无论skyrmions是否在未来的小工具中结束,漩涡是新兴电子生态系统的一部分。自从发现电力以来,研究人员一直关注电荷的运动。但物理学家现在正在构造一种称为自旋电子学的新并联体系,其中基于电子自旋运动的部分是基于电子自旋运动的一部分,该体系使得原子具有磁性(SN Online:9/26/17)。研究skyrmions,研究人员正在扩大他们对如何旋转材料的理解。
 
就像一个摸着鞋带的幼儿园一样,学习如何将疙瘩打结成一个学习过程。

(来源:未知)

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