Созданный учеными новый тип магнитного состояния, названный магнито-ионным вихрем или «вортионом», позволяет точно управлять магнитными характеристиками на наноуровне при обычной температуре. Эта разработка открывает возможности для создания более экономичных вычислительных систем.
В связи с широким внедрением машинного обучения и сопутствующих технологий, компании активно стремятся использовать большие данные. Это повлекло за собой существенное увеличение энергопотребления. Как правило, для хранения информации применяются электрические токи, а вычислительные устройства, обрабатывая данные, выделяют тепло и, таким образом, теряют энергию.
Использование магнитных запоминающих устройств, управляемых напряжением, а не током, позволяет существенно снизить потребление энергии. В качестве основы для таких устройств целесообразно применять магнито-ионные материалы. Свойства этих материалов можно модифицировать, контролируя изменение полярности приложенного напряжения для добавления или удаления ионов.
Большинство исследователей до настоящего времени фокусировались на работе со сплошными пленками магнито-ионных материалов, а не на управлении отдельными «битами». Для достижения высокой плотности хранения данных ученым и инженерам нужно добиться контроля именно над минимальными единицами хранения информации.
Ученым международной группы удалось разработать метод точного управления магнито-ионными материалами. Для этого они объединили магнито-ионные эффекты и магнитные вихри, создав новое магнитное состояние — вортион. Научная статья опубликована в журнале Nature Communications.
На масштабе порядка микрометра в материалах проявляются эффекты, которые не наблюдаются в более крупных системах. К ним относятся, например, магнитные вихри — небольшие образования, имеющие форму спиралей используют для записи и чтения магнитных данных и в биомедицине. Однако изменить состояние уже существующего вихря либо невозможно, либо требует значительных затрат энергии.
Ученые разработали вортион, который обеспечивает точный контроль над магнитными характеристиками наноструктур, имеющих точечную форму. Для регулировки необходимых параметров исследователи используют напряжение, которое способствует удалению ионов азота управление вортионами энергоэффективным.
«Речь идет о принципиально новом объекте, существующем на наномасштабе. Существует значительный спрос на управление магнитными состояниями на этом уровне, однако, что вызывает удивление, значительная часть исследований магнито-ионных эффектов до сих пор была посвящена сплошным материалам. Изучая влияние движения ионов в дискретных наноструктурах, таких как наноточки, становится ясно, что в них формируются уникальные, динамически изменяющиеся спиновые конфигурации», — пояснил руководитель исследования Хорди Сорт ( Jordi Sort).
Влияние приложенного напряжения определяет конфигурацию спинов и магнитные свойства вихрей. Изначально немагнитные наноточки могут быть преобразованы в различные состояния — от магнитных вихрей с отличающимися характеристиками до состояния с равномерной магнитной ориентацией.
«Разработанные нами вортионы позволяют с беспрецедентной точностью контролировать такие магнитные характеристики, как намагниченность, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, магнитная анизотропия и критические поля, определяющие появление или исчезновение вихрей. Эти характеристики играют важную роль в хранении данных на магнитных носителях, и теперь их можно регулировать аналоговым и обратимым способом, используя напряжение и потребляя при этом незначительное количество энергии», — пояснила первый автор статьи Ирэна Спасоевич ( Irena Spasojević).
Ученые также выдвинули предположение о возможности создания настраиваемых магнито-ионных вихрей могут использоваться в нейросетях в качестве динамических синапсов, способных имитировать работу биологических синапсов. В мозге связи между нейронами — синапсы — обладают разными «весами» (силами), которые изменяются в процессе обучения. Работа биологических нейронов и синапсов тоже управляется электрическими сигналами и миграцией ионов, как и свойства вортионов.
Вортионы могут помочь ученым создать настраиваемые синаптические веса в виде управляемой намагниченности или магнитной анизотропии для нейроморфных спинтронных устройств. Исследователи считают, что, помимо нейроморфных вычислений, аналоговых систем и многослойных запоминающих устройств, «вортионы» могут найти применение в медицине (например, в методах терапии), защите данных и вычислениях, основанных на магнитных спинах.
Переход к использованию напряжения вместо электрического тока помогает уменьшить и исключить перегрев оборудования, включая ноутбуки, серверы и центры обработки данных, что приводит к существенному сокращению потерь энергии.