Образование и наука

Способы кодирования информации на наномагнитной пленке разрабатывают в ДВФУ

Способы кодирования информации на наномагнитной пленке разрабатывают в ДВФУ

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с зарубежными коллегами предлагают новый способ создания магнитных квазичастиц — скирмионов, а также решеток из них, с помощью которых можно кодировать, передавать и обрабатывать информацию и создавать изображения с разрешением менее 100 нанометров. Этот метод открывает путь к миниатюрной посткремниевой электронике, новым методам визуальной (топологической) криптографии и «зеленым» высокопроизводительным центрам обработки данных, нагрузка которых на экосистему Земли может существенно снизиться. Статья об этом опубликована в ACS Nano.

Скирмионы — это нетривиальные магнитные структуры, которые при определенных условиях зарождаются в тонкопленочных магнитных материалах с толщиной слоев от одного до нескольких нанометров. Ученые сформировали плотноупакованные стабильные массивы скирмионов, воздействуя на тонкопленочную магнитную структуру локальным магнитным полем зонда магнитно-силового микроскопа.

Команда впервые реализовала топологическую нанолитографию, получив наноразмерные топологические изображения, в которых каждый отдельный скирмион играет роль пикселя, как в цифровой фотографии. Скирмионы-пиксели не видны в оптическом диапазоне и для их дешифровки, как и для создания, нужен магнито-силовой микроскоп. В настоящее время на квадратном миллиметре магнитной пленки можно записать примерно 25 Мб информации. При уменьшении размера скирмионов до 10 нм, можно получить емкость 2,5 Гб/мм2.

«Скирмионы, движимые импульсами тока, можно использовать для создания нейроморфных чипов в качестве базовых элементов, имитирующих потенциал действия биологических нейронов. Массивы чипов, в которых каждый крошечный элемент-нейрон сможет связываться с другим элементом посредством движущихся и взаимодействующих скирмионов, будут обладать энергоэффективностью и высокой вычислительной мощностью. Еще одним интересным применением может стать визуальная (или топологическая) криптография, в которой сообщение шифруется посредством топологического изображения из набора упорядоченных скирмионов. Для расшифровки такого послания потребуется, во-первых, знание координат наноразмерного изображения и, во-вторых, наличие специального оборудования в виде магнито-силового микроскопа с высокой чувствительностью к полям рассеяния скирмионов. В случае попытки «взлома» послания неправильно подобранные параметры для прочтения топологического изображения приведут к его уничтожению», — рассказал проректор ДВФУ по научной работе, один из авторов идеи исследования, доктор физико-математических наук Александр Самардак.

Ограничение подхода состоит в том, что запись информации посредством приложения локальных точечных магнитных полей пока что очень медленная процедура, которая не подходит для массового внедрения.

Александр Самардак рассказал, что, управляя размером шага сканирования зондом силового магнитного микроскопа, ученые смогли контролировать размер и плотность упаковки скирмионов. Это расширяет возможности будущих практических применений. Например, если размер скирмионов будет менее 100 нанометров, их можно использовать в качестве базы для резервуарных вычислений (reservoir computing), перестраивающейся логики и магнонных кристаллов — основы магнонных процессоров и коммуникационных СВЧ-устройств суб-ТГц и ТГц диапазона, которые будут намного более энергоэффективными по сравнению с существующей электроникой. Технология открывает путь к будущим «зеленым» и высокопроизводительным центрам обработки данных.

«Скирмион может играть роль носителя бита информации: в зависимости от направления поляризации (вверх либо вниз) возможны два состояния – 0 или 1 соответственно. На основе скирмионов можно создать магнитную память, в которой нет механических частей, как в жестких магнитных дисках, а двигаются сами биты информации. Более того, упорядоченные двумерные массивы скирмионов могут играть роль искусственных магнонных кристаллов, по которым распространяются спиновые волны, а не электрический ток, передающие информацию от источника к приемнику без нагрева рабочих элементов», — говорит заведующий лабораторией пленочных технологий ДВФУ, профессор Алексей Огнев.

Применяя разработанную технологию, ученые планируют уменьшать размеры скирмионов и работать над реализацией практических устройств на их основе. 

Ранее ученые Школы естественных наук ДВФУ вместе с иностранными коллегами предложили инновационный метод управления взаимодействием Дзялошинского-Мория в тонкопленочных магнитных структурах с помощью контролируемых шероховатостей. Открытие важно для прогресса нового поколения электроники – спин-орбитроники и создания сверхбыстрой энергонезависимой компьютерной памяти.

Направление Material Science, включающее исследования в области новых технологий и материалов, определено в Дальневосточном федеральном университете как одно из приоритетных и ориентировано на решения принципиально новых научно-технологических задач, которые находятся на переднем крае современной науки. Исследования в области материаловедения являются важным аспектом в реализации стратегической цели по развитию университета как лидера в научно-образовательной и технологической деятельности на российском Дальнем Востоке, центра трансфера технологий и инновационной в Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Пресс-служба ДВФУ,
[email protected]

Сообщает Дальневосточный федеральный университет