Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) вместе с зарубежными коллегами предлагают новый способ создания скирмионов — магнитных квазичастиц — и скирмионных решеток, с помощью которых можно кодировать, передавать и обрабатывать информацию и создавать топологические изображения с разрешением менее 100 нанометров. Это путь к миниатюрной посткремниевой электронике, новым методам визуальной криптографии и зеленым высокопроизводительным центрам обработки данных, которые существенно снизят нагрузку на экосистему Земли.
Фото: Глеб Щелкунов, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Глеб Щелкунов, Коммерсантъ / купить фото
Одна из проблем скирмионных систем — их стабильность. Команда исследователей из Школы естественных наук ДВФУ вместе с коллегами из России, Южной Кореи, Германии, Словакии и Индии смогла сформировать плотноупакованные стабильные массивы скирмионов, воздействуя на тонкопленочную магнитную структуру локальным магнитным полем зонда магнитно-силового микроскопа.
В роли пикселя
Оказалось, что скирмионы можно упорядочивать, придавая их массивам, называемым скирмионными решетками, разную геометрическую форму. Таким образом, ученые впервые реализовали топологическую нанолитографию — получили 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 магнитно-силовой микроскоп.
«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,— говорит Александр Самардак, один из авторов идеи исследования, доктор физико-математических наук, проректор ДВФУ по научной работе.— 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 магнитно-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. 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 гигабайта на квадратный миллиметр».
Единственное, но существенное ограничение в случае шифрования состоит в том, что запись информации посредством приложения локальных точечных магнитных полей — очень медленная процедура, которая пока 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 для будущих практических применений. Размер скирмионов может быть менее 100 нанометров, что позволит использовать их как основу для резервуарных вычислений (reservoir computing), перестраивающейся логики и магнонных кристаллов. Такие кристаллы на основе скирмионов могут стать основой для магнонных процессоров и коммуникационных СВЧ-устройств суб-ТГц и ТГц-диапазона, которые будут намного более энергоэффективными по сравнению с существующей электроникой. В широком смысле представленная технология открывает путь к будущим зеленым и высокопроизводительным центрам обработки данных.
Волна информации
Сейчас идет интенсивный поиск альтернативных материалов и подходов для замещения устройств кремниевой электроники, построенной на КМОП-технологии (комплементарный металл—оксид—полупроводник). Транзисторы, созданные по этой технологии, уже физически невозможно делать меньше. Это значит, что дальнейшее развитие электронной промышленности находится под вопросом.
«Одна из перспективных альтернатив КМОП-транзисторам — тонкопленочные магнитные материалы с толщиной слоев от одного до нескольких нанометров. В таких системах при определенных условиях возникают нетривиальные магнитные текстуры, названные скирмионами. Удивительно, но скирмионы имеют диаметр от сотен до десятков нанометров, могут длительное время существовать в магнитной среде и перемещаться в ней с высокой скоростью (несколько км/c) под действием магнитных полей и электрических импульсов. При этом 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 Алексей Огнев, первый автор статьи, профессор, заведующий лабораторией пленочных технологий ДВФУ.
Ученые из разных стран мира разрабатывают методы контроля микромагнитной структуры скирмионов и пытаются найти подходы по их упорядочению в двумерные массивы с гексагональной упаковкой.
Откуда берется скирмион
По словам Алексея Огнева, на основе разработанной технологии они вместе с коллегами планируют уменьшать размеры скирмионов и работать над реализацией практических устройств на их основе.
Для эксперимента использовали многослойную структуру (Pt/CoFeSiB/W)n с n-раз повторяющимися слоями. Наличие тяжелых металлов, платины и вольфрама, контактирующих с однонанометровым магнитным слоем CoFeSiB (кобальт—железо—кремний—бор), запускает в структуре интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория, которое как раз и ведет к трансформации ферромагнитного порядка и появлению нетривиальных спиновых текстур — скирмионов. Используя возможности магнитно-силовой микроскопии, ученые создали и стабилизировали скирмионы в многослойной структуре. Они получили упорядоченную двумерную решетку, в которой составляющие ее скирмионы представляют собой отдельные биты информации. Таким образом, исследователи продемонстрировали возможность прямой записи участков произвольной формы стабильными скирмионами размером менее 100 нанометров.
Ранее ученые ШЕН 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.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ, грант № 17-52-45135), Министерства высшего образования и науки РФ (0657-2020-0013), программы повышения конкурентоспособности ДВФУ (соглашение No. 075-02-2020-1584).
Magnetic Direct-Write Skyrmion Nanolithography; A. V. Ognev, A. G. Kolesnikov, Yong Jin Kim, In Ho Cha, A. V. Sadovnikov, S. A. Nikitov, I. V. Soldatov, A. Talapatra, J. Mohanty, M. Mruczkiewicz, Y. Ge, N. Kerber, F. Dittrich, P. Virnau, M. Klui, Young Keun Kim, A. S. Samardak: ACS Nano, ноябрь 2020 г.