In einer einzigen Nanospur hat ein Forschungsteam die Vernichtung, Fusion und Rangierung von zwei Skyrmionen mit entgegengesetzter Chiralität durch lokale Umkehrung des DMI sowie den Pinning-Effekt von Energiebarrieren auf Skyrmionen erreicht.
Diese Studie wurde von Prof. Hongxin Yang (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences) und Dr. Dongxing Yu (Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences) geleitet. First-Principle-Rechnungen wurden von Prof. Hongxin Yang durchgeführt, und mikromagnetische Simulationen der magnetischen Skyrmion-Dynamik wurden von Dongxing Yu durchgeführt.
„Diese dynamischen Verhaltensweisen magnetischer Skyrmionen sind für das Design von auf magnetischen Skyrmionen basierenden spintronischen Geräten wie Logikgattern, Transistoren, komplementären Racetrack-Speichern usw. sehr gut geeignet“, sagt Prof. Hongxin Yang. Mit der Zunahme chiraler multiferroischer Materialien und dem Aufkommen des DMI-Chiralitätsschaltmechanismus werden die auf magnetischen Skyrmionen basierenden Logikgatter hoffentlich zu einer einzigen Nanospur vereinfacht und die vollständige Rekonstruktion von Booleschen Logikgattern erreicht.
Dr. Dongxing Yu, Prof. Hongxin Yang, Prof. Mairbek Chshiev erforschten zusammen mit dem Physik-Nobelpreisträger Prof. Albert Fert den Zusammenhang zwischen der Rekonstruktion von Logikgattern und der Dynamik magnetischer Skyrmionen. Durch die lokale Steuerung der DMI-Chiralität rekonstruierte das Team die nichtflüchtigen Energiebarrieren, um verschiedene dynamische Phänomene von magnetischen Skyrmionen umzuschalten, was die Implementierung und Neukonfiguration von Logikfunktionen wie AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR und XNOR ermöglichte.
„Beliebige zwei dieser Funktionen oder Operationen können leicht ineinander überführt werden, indem die Chiralität des DMI mithilfe der Spannungssteuerung in einer einzigen Nanospur umgeschaltet wird, und Skyrmionen können nach jeder Operation recycelt werden“, sagt Dongxing Yu. Basierend auf der Pinning- und Depinning-Funktion von nichtflüchtigen Energiebarrieren simulierte das Team auch die „Ein“- und „Aus“-Zustände eines Skyrmion-Transistors und einen Skyrmion-Bit-Reset. „Dies wird eine nützliche Erforschung der Konstruktion von spintronischen Geräten durch die Manipulation topologisch nicht trivialer magnetischer Strukturen wie magnetischer Skyrmionen sein“, sagt Hongxin Yang.
Im Vergleich zu anderen rekonfigurierbaren Logikgattern, die eine Kombination aus mehreren Streifen oder eine Kaskade einfacher Funktionen erfordern, um zwei oder mehr Logikoperationen auszuführen, realisierte diese Studie die Implementierung und Rekonfiguration von sieben Arten von Logikfunktionen in einer einzigen Nanospur durch mikromagnetische Simulationen, wodurch sie weiter vereinfacht wurden das Design der Spin-basierten Logikbausteine und die Förderung der potenziellen Anwendung von auf magnetischen Skyrmionen basierenden Logikgattern im Bereich der Informationsverarbeitung.
Die Studie wurde veröffentlicht in National Science Review.
Dongxing Yu et al, Skyrmionen-basierte Logikgatter in einer einzigen Nanospur, vollständig rekonstruiert über Chiralitätsbarriere, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac021