Das Wort „Fraktale“ könnte in einer Computeranimation zu Bildern psychedelischer Farben inspirieren, die sich in die Unendlichkeit winden. Eine unsichtbare, aber leistungsstarke und nützliche Version dieses Phänomens existiert im Bereich dynamischer magnetischer fraktaler Netzwerke.
Dustin Gilbert, Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering, und Kollegen haben neue Erkenntnisse zum Verhalten dieser Netzwerke veröffentlicht – Beobachtungen, die die neuromorphen Rechenfähigkeiten verbessern könnten.
Ihre Forschung wird in ihrem Artikel „Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks“, Titelgeschichte für die Ausgabe vom 17. August 2023, ausführlich beschrieben Fortgeschrittene Werkstoffe.
„Die meisten magnetischen Materialien – wie etwa Kühlschrankmagnete – bestehen lediglich aus Domänen, in denen die magnetischen Spins alle parallel ausgerichtet sind“, sagte Gilbert. „Vor fast 15 Jahren entdeckte eine deutsche Forschungsgruppe diese speziellen Magnete, bei denen die Spins Schleifen bilden – wie ein nanoskaliges magnetisches Lasso. Sie werden Skyrmionen genannt.“
Benannt nach dem legendären Teilchenphysiker Tony Skyrme, verleiht der magnetische Wirbel eines Skyrmions ihm eine nicht triviale Topologie. Aufgrund dieser Topologie haben die Skyrmionen partikelähnliche Eigenschaften – sie sind schwer zu erzeugen oder zu zerstören, sie können sich bewegen und sogar voneinander abprallen. Das Skyrmion verfügt außerdem über dynamische Modi – es kann wackeln, schütteln, strecken, wirbeln und atmen.
Während die Skyrmionen „springen und schwingen“, erzeugen sie magnetische Spinwellen mit einer sehr schmalen Wellenlänge. Die Wechselwirkungen dieser Wellen bilden eine unerwartete fraktale Struktur.
„Genau wie eine Person, die in einem Wasserbecken tanzt, erzeugen sie Wellen, die sich nach außen kräuseln“, sagte Gilbert. „Viele tanzende Menschen erzeugen viele Wellen, die normalerweise wie ein turbulentes, chaotisches Meer erscheinen würden. Wir haben diese Wellen gemessen und gezeigt, dass sie eine genau definierte Struktur haben und zusammen ein Fraktal bilden, das sich Billionen Mal pro Sekunde verändert.“
Fraktale sind wichtig und interessant, weil sie von Natur aus mit einem „Chaoseffekt“ verbunden sind – kleine Änderungen der Anfangsbedingungen führen zu großen Änderungen im fraktalen Netzwerk.
„Wir wollen damit Folgendes erreichen: Wenn man ein Skyrmion-Gitter hat und es mit Spinwellen beleuchtet, hängt die Art und Weise, wie die Wellen durch diese fraktale erzeugende Struktur wandern, sehr stark von ihrer Konstruktion ab“, sagte Gilbert . „Wenn man also einzelne Skyrmionen schreiben könnte, könnte es eingehende Spinwellen effektiv in etwas auf der Rückseite verarbeiten – und es wäre programmierbar. Es ist eine neuromorphe Architektur.“
Der Fortgeschrittene Werkstoffe Die Titelillustration zeigt eine visuelle Darstellung dieses Prozesses, wobei die Skyrmionen auf einem turbulenten blauen Meer schweben und die chaotische Struktur veranschaulichen, die durch das Spinwellen-Fraktal erzeugt wird.
„Diese Wellen stören, genau wie wenn man eine Handvoll Kieselsteine in einen Teich wirft“, sagte Gilbert. „Es entsteht ein unruhiges, turbulentes Durcheinander. Aber es ist nicht irgendein einfaches Durcheinander, es ist tatsächlich ein Fraktal. Wir haben jetzt ein Experiment, das zeigt, dass die von Skyrmionen erzeugten Spinwellen nicht nur ein Durcheinander von Wellen sind, sondern eine ihnen innewohnende Struktur haben.“ ganz eigene. Indem wir im Wesentlichen die Steine kontrollieren, die wir ‚hineinwerfen‘, entstehen sehr unterschiedliche Muster, und das ist es, worauf wir hinarbeiten.“
Die Entdeckung wurde teilweise durch Neutronenstreuexperimente am High Flux Isotope Reactor des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und am Center for Neutron Research des National Institute of Standards and Technology (NIST) gemacht. Neutronen sind magnetisch und dringen leicht durch Materialien hindurch, was sie zu idealen Sonden für die Untersuchung von Materialien mit komplexem magnetischem Verhalten wie Skyrmionen und anderen Quantenphänomenen macht.
Gilberts Co-Autoren des neuen Artikels sind Nan Tang, Namila Liyanage und Liz Quigley, Studenten seiner Forschungsgruppe; Alex Grutter und Julie Borchers vom National Institute of Standards and Technology (NIST), Lisa DeBeer-Schmidt und Mike Fitzsimmons vom Oak Ridge National Laboratory; und Eric Fullerton, Sheena Patel und Sergio Montoya von der University of California, San Diego.
Der nächste Schritt des Teams besteht darin, ein funktionierendes Modell unter Verwendung des Skyrmion-Verhaltens zu erstellen.
„Wenn wir denkende Computer entwickeln können, ist das natürlich außerordentlich wichtig“, sagte Gilbert. „Deshalb werden wir vorschlagen, eine miniaturisierte neuromorphe Spinwellenarchitektur zu schaffen.“ Er hofft auch, dass die Auswirkungen dieser Entdeckung von UT Knoxville Forscher dazu inspirieren, Einsatzmöglichkeiten für eine wachsende Bandbreite zukünftiger Anwendungen zu erkunden.
Mehr Informationen:
Nan Tang et al., Skyrmion-angeregte Spinwellen-Fraktalnetzwerke, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202300416