Teknologi modern tampak biasa dan akrab bagi kita. Namun, hanya memikirkan hal-hal seperti itu 50 tahun yang lalu tampak sesuatu yang tidak realistis dan futuristik. Hari-hari ini, julukan ini telah mempertahankan popularitasnya, karena para ilmuwan terus memperluas batas-batas pemahaman kita tentang dunia.
Masa depan teknologi informasi tidak hanya bergantung pada peningkatan komponen yang ada dari bagian integral kehidupan manusia ini, tetapi juga pada pencarian bahan baru, teknik, teknik, dan hal-hal lain. Hari ini kita akan membahas satu studi yang sangat menarik tentang skyrmion magnetik dan anti-skyrmions. Apa itu, mengapa itu dan bagaimana cara meningkatkan TI di masa depan? Untuk jawabannya, selami laporan para ilmuwan. Ayo pergi.
Apa itu skyrmion magnetik?Pertama-tama, perlu diingat bahwa atom-atom bahan magnetik, yang memiliki momen magnetik elektronnya sendiri, berperilaku seperti magnet, dengan kata-kata sederhana. Ketika suatu zat bermagnet, putaran atom berbaris dengan cara tertentu, yang membuat zat ini menjadi magnet.
Pada 2009, para peneliti menemukan fitur atom individu yang sangat menarik. Punggung mereka dipelintir menjadi corong (vortisitas). Struktur serupa disebut skyrmion, untuk menghormati fisikawan Inggris Tony Skyrme, yang pada tahun 1962 menggambarkan model matematika dari pusaran putaran.
Gambar a - skyrmion "landak", b - spiral skyrmion.Salah satu fitur penting IT untuk skyrmions adalah stabilitas topologi mereka. Intinya adalah bahwa setiap gangguan dapat mengubah arah putaran, tetapi putarannya akan tetap sama. Dengan demikian, Anda dapat menyimpan informasi dalam bentuk biner: 0 - tidak ada skyrmion, 1 - ada skyrmion. Dan mengingat ukuran nanometer dari struktur tersebut, kepadatan penyimpanan informasi juga dapat meningkat secara signifikan.
Berasal dari informasi ini, keberadaan anti-skyrmions juga diasumsikan, yang muatan topologisnya akan berlawanan dengan skyrmions biasa.
Struktur putaran dua dimensi memiliki topologi nontrivial, yang bertanggung jawab atas tingkat stabilitas tertentu. Struktur seperti itu dicirikan oleh muatan topologis:
di mana
m = m (r, t) adalah vektor arah momen magnetik dalam ruang dan waktu.
Skyrmions
(q = 1 ) dan anti-skyrmions (
q = -1 ) memiliki muatan yang berlawanan dan dapat terjadi berpasangan jika terjadi deformasi keadaan homogen (
q = 0 ). Deskripsi dinamika skyrmions dan anti-skyrmions dapat diperkirakan jika inti dianggap tidak bergerak, yang mengurangi jumlah variabel yang diperlukan untuk menggambarkan gerakan mereka.
Rumus di bawah ini menjelaskan gerakan gyrotropik teredam dari posisi inti (X) dari skyrmions dan anti-skyrmions dalam menanggapi kekuatan yang diterapkan (F):
G, sama dengan -qG0z, adalah vektor gyro;
α adalah konstanta atenuasi;
D0 adalah faktor struktural.Dinamika dalam persamaan di atas adalah non-Newtonian, dan karenanya respons gyrotropik bergantung pada q dan menentukan arah di mana inti bergerak.
Basis penelitianDalam studi mereka, para ilmuwan menggambarkan dinamika skyrmions dan anti-skyrmions dalam film feromagnetik ultrathin. Terjadinya momen spin-orbital ditemukan, yang dapat menyebabkan munculnya gerakan trochoidal dan generasi sepasang skyrmion-antiskirmion. Dinamika seperti itu disebabkan oleh deformasi nukleus, yang pada gilirannya mengarah ke helicity tergantung-waktu, yang mengontrol gerakan skyrmion dan nuklei antiskirmion.
Contoh pergerakan trochoidal (extended cycloid)Menggunakan simulasi putaran atom, pemodelan prediktif dengan pengurangan variabel, dan algoritma pembelajaran mesin, diagram fase dinamis dihitung yang memprediksi bagaimana momen spin-orbit dapat mengontrol jenis gerakan dan juga mengarah pada pembentukan kisi skyrmion dengan memperkenalkan anti-skyrmions.
Simulasi dinamika putaran atom
Gambar No. 1Penelitian ini didasarkan pada substrat logam normal dan lapisan logam transisi feromagnetik (gambar
1a ). Contoh zat semacam itu adalah
paduan PdFe / Ir (111) , di mana pertukaran antisimetris yang stabil ke dalam besi (
Fe ) monolayer disebabkan oleh ikatan antar muka dengan interaksi spin-orbit yang kuat dalam substrat iridium (
Ir ). Ini memungkinkan skyrmions individu ada dalam keadaan metastabil.
Itu juga mengungkapkan bahwa negara anti-skyrmion juga bisa menjadi metastable ketika interaksi pertukaran yang frustrasi dalam film tipis atau sampel massal diperhitungkan.
Gambar
1b menunjukkan bahwa interaksi pertukaran biasa dan antisimetri memiliki simetri enam kali lipat, yang terkait dengan permukaan iridium. Jika kekuatan interaksi pertukaran antisimetrik berkurang, maka seseorang dapat mencapai keadaan keseimbangan untuk skyrmions (
1c ) dan antiskirmsi (
1d ).
Para peneliti mencatat bahwa arus dalam pesawat harus melewati logam feromagnetik dan substrat logam normal. Namun, dalam kasus ini, sebagian besar arus hanya melewati substrat iridium, karena resistivitas lapisan jauh lebih tinggi tepatnya untuk ferromagnet ultrathin.
1e mewakili struktur heksagonal kisi dan arah vektor dari interaksi pertukaran antisimetri, yang digunakan untuk mempertahankan keadaan anti-skyrmion.
Gambar 1f adalah keadaan ekuilibrium dari suatu skyrmion dengan interaksi pertukaran antisimetri, dan gambar
1g menunjukkan keadaan kesetimbangan dari suatu antiskirmion dengan interaksi pertukaran antisimetri.
Spin dinamika dan pembentukan sepasang skyrmion-antiskirmion
Gambar No. 2Gambar
2a menunjukkan perubahan kecepatan rata-rata
〈v〉 dari skyrmions dan anti-konfirmasi sebagai fungsi momen spin-orbit, di mana β
FL = β
DL . Tiga mode propagasi ditentukan untuk anti-skyrmions: gerakan linier pada arus rendah, gerak defleksi pada arus sedang, dan gerak trochoidal pada arus tinggi.
Perlu dicatat bahwa kecepatan anti-skyrmions tidak meningkat paralel dengan momen spin-orbit, seperti yang terjadi pada skyrmions.
Perhitungan perilaku skyrmions memungkinkan untuk membuat asumsi mengenai lintasan anti-skyrmions, seperti yang ditunjukkan pada gambar
2b . Tiga opsi jalur untuk tiga mode. Panah menunjukkan arah vektor gerak.
Abstraksionisme modern pada gambar 2c adalah diagram fase dari perilaku yang berbeda untuk nilai dan rasio yang berbeda β
FL (gaya torsi seperti medan) dan β
DL (gaya torsi "teredam"). Berkat algoritma pembelajaran mesin, tiga jenis lintasan utama (linier, menyimpang dan trochoidal) diidentifikasi yang mencakup berbagai kecepatan dan arah propagasi.
Lintasan trochoidal dan menyimpang muncul karena deformasi inti anti-skyrmion. Ini adalah lintasan trochoidal yang muncul dengan rentang nilai momen spin-orbit yang sangat luas.
Gambar 3aDeformasi nukleus ditandai dengan munculnya variabel dinamis
ψ (t) , yang menunjukkan helitas skyrmion dan anti-skyrmion (gambar
3a , di mana q = 1 adalah skyrmions dan q = -1 adalah anti-skyrmions).
Variabel
ψ untuk skyrmions menggambarkan transisi berkelanjutan antara status Bloch dan Néel dari chirality yang berlawanan, dan untuk anti-skyrmions, rotasi sumbu Bloch dan Néel.
Dalam sistem yang dibuat oleh para peneliti, deformasi nukleus disebabkan oleh momen spin-orbit, yang mengarah ke kemiringan dalam magnetisasi dalam bidang film, yang ditandai dengan amplitudo
η dan azimuth
ϕ t .
Untuk putaran eksternal, kemiringannya sama sepanjang waktu, tetapi di dalam inti anti-kabut bervariasi tergantung pada
ψ .
Ditemukan bahwa untuk
FL β kecil dan
DL β besar, muncul keadaan dinamis baru, yang mengarah pada pembentukan sepasang skyrmion-antiskirmion. Ketika anti-skyrmion melewati lintasan trochoidalnya, ia disertai dengan deformasi parah (pemanjangan nukleus). Ini dapat dilihat pada gambar
4a (khususnya, pada t = 3 ps). Lebih jauh, perpanjangan ini, yang merupakan sepasang skyrmion-antiskirmion, dipisahkan dari nukleus itu sendiri.
Gambar No. 4Gambar
4b menunjukkan kepadatan muatan topologi dari proses ini. Namun, keberadaan pasangan tidak permanen. Seiring waktu, pasangan mulai membusuk, karena momen spin-orbit "memaksa" skyrmion dan anti-skyrmion untuk bergerak ke arah yang berbeda. Skyrmion bergerak di sepanjang jalur linear dari titik pembentukan pasangan. Antiskirmion mulai bergerak di sepanjang lintasan trochoidal, yang mengarah pada pembentukan pasangan baru (gambar
4c ). Proses ini diulangi lagi dan lagi, dan ini menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk membuat dari satu anti-skyrmion jauh dari satu pasangan tunggal, tetapi banyak pasangan baru.
Interaksi pertukaran antisimetrikKita sudah belajar sebelumnya bahwa lintasan yang menyimpang dan trochoid hanya ditemukan di anti-skyrmions. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa penghalang energi internal (dengan interaksi pertukaran antisimetri yang sama, selanjutnya AOB) dari skyrmion jauh lebih tinggi, yang merupakan kasus untuk anti-skyrmion. Artinya, asimetri antara muatan topologi yang berlawanan tergantung pada AOB, dan bukan pada muatan itu sendiri.
Dinamika skyrmions dan anti-skyrmions tanpa adanya AOWPentingnya AOB lebih jelas dan lebih mudah ditunjukkan jika tidak ada dalam sistem. Dalam hal ini, skyrmions dan anti-skyrmions akan terus mempertahankan keadaan metastabil karena interaksi pertukaran yang frustrasi, yang mengarah ke keadaan keseimbangan (
a dan
b pada gambar di atas). Ternyata dalam sistem tidak ada interaksi antara skyrmion dan anti-skyrmion, yang mengarah pada penghancuran negara-negara Bloch dan Néel. Akibatnya, profil yang ditunjukkan pada gambar
a adalah satu-satunya cara untuk merealisasikan keadaan metastabil dari skyrmion, dan gambar
b adalah kondisi metastabil dari anti-skyrmion.
Dalam gambar
dengan kita melihat bahwa ada gerakan melingkar dengan arah yang berlawanan untuk muatan topologi yang berlawanan.
Sebagai kesimpulan, pembentukan pasangan skyrmion-antiskirmion tanpa interaksi pertukaran antisimetri adalah mustahil.
Laporan para ilmuwan jauh lebih lengkap mengungkapkan fitur penelitian mereka, oleh karena itu, saya sangat menyarankan Anda membiasakan diri dengan itu.Dalam proses pengerjaan material, saya menemukan karya yang sangat mengesankan "Pengantar torsi putaran dan momen putaran-orbit pada lapisan logam". Mungkin seseorang akan berguna, jadi saya meninggalkan referensi.EpilogStudi ini, menurut para ilmuwan, menunjukkan dinamika yang kaya mungkin pada momen spin-orbit yang berbeda dalam film feromagnetik ultrathin. Mereka menyebut poin-poin terpenting dari pekerjaan mereka sebagai deskripsi proses pembentukan pasangan (kebalikan dari inti pusaran) dan perbandingan skyrmions dan fenomena mikromagnetisme lainnya.
Karya ini pasti akan menjadi dasar untuk penelitian lebih lanjut, yang tujuannya adalah realisasi kemampuan untuk memilih orientasi permukaan yang diperlukan atau antarmuka untuk adaptasi mereka terhadap sifat dinamis tertentu. Ini akan menjadi babak baru dalam ilmu material, mengingat bahwa perhatian sebelumnya hanya dibayarkan pada penentuan kuantitatif dan kontrol jalur gerak linier untuk memori dan aplikasi logis berdasarkan skyrmions.
Studi ini menunjukkan kemungkinan adanya beberapa dinamika yang berbeda sekaligus di bawah berbagai keadaan metastabil dalam sistem material tunggal.
Sebagai hasilnya, perkembangan tersebut dapat menjadi dasar untuk penciptaan tipe baru perangkat penyimpanan dan pemrosesan informasi, yang akan memerlukan revolusi di dunia teknologi informasi.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
3 bulan gratis ketika membayar untuk Dell R630 baru untuk jangka waktu enam bulan -
2 x Intel Deca-Core Xeon E5-2630 v4 / 128GB DDR4 / 4x1TB HDD atau 2x240GB SSD / 1Gbps 10 TB - dari $ 99,33 sebulan , hanya sampai akhir Agustus, pesan bisa
disiniDell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?