Neue Skyrmion-Transistoren treiben die Quanten- und KI-Forschung voran

In einer Zeit, die von einer eskalierenden Energiekrise geprägt ist, steht die Welt am Abgrund einer transformativen Revolution in der Spintronik-Technologie, die einen extrem niedrigen Stromverbrauch gepaart mit überlegener Leistung verspricht. Um das Potenzial zu veranschaulichen, bedenken Sie Folgendes: Der Stromverbrauch, den AlphaGo während seines berühmten Go-Spiels im Jahr 2016 verbrauchte, entsprach dem täglichen Stromverbrauch von 100 Haushalten. Bis 2021 benötigte die autonome Fahr-KI von Tesla mehr als zehnmal so viel Energie zum Lernen.

Als Reaktion auf diese wachsende Nachfrage hat das Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) den weltweit ersten Transistor entwickelt, der Skyrmionen steuern kann. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Entwicklung von Ultra-Low-Power-Geräten der nächsten Generation und wird voraussichtlich einen wesentlichen Beitrag zur Quanten- und KI-Forschung leisten. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.

Skyrmionen, die in einer wirbelartigen Spinstruktur angeordnet sind, sind einzigartig, weil sie auf mehrere Nanometer miniaturisiert werden können und dadurch mit außergewöhnlich geringer Leistung beweglich sind. Diese Eigenschaft macht sie zu einem entscheidenden Element in der Entwicklung spintronischer Anwendungen.

Das explosionsartige Wachstum der Elektrotechnik im 21. Jahrhundert lässt sich auf die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 in den Bell Laboratories in den Vereinigten Staaten zurückführen. Als Verstärker und Schalter für elektrische Ströme war der Transistor von zentraler Bedeutung in der Elektrotechnik. Die Entdeckung des Skyrmions im Jahr 2009 löste umfangreiche Forschungen zu einem Skyrmion-basierten Transistor aus, aber das Fehlen einer wesentlichen Technologie zur Steuerung der Skyrmion-Bewegung machte diese Bemühungen zunichte.

Dieser Engpass wurde mit dem neu entwickelten Skyrmion-Transistor von KRISS überwunden, der proprietäre Technologie nutzt, um die Bewegung von Skyrmionen, die in magnetischen Materialien erzeugt werden, elektronisch zu steuern. Diese innovative Lösung ermöglicht die präzise Steuerung des Skyrmion-Flusses oder -Stopps, ähnlich wie herkömmliche Transistoren elektrischen Strom modulieren.

Ein entscheidender Aspekt bei der Steuerung der Bewegung magnetischer Skyrmionen liegt in der Kontrolle der magnetischen Anisotropie, die die Energie der Skyrmionen beeinflusst. Frühere Forschungen versuchten, die magnetische Anisotropie durch Sauerstoffbewegung innerhalb von Geräten zu regulieren, konnten jedoch keine einheitliche Kontrolle erreichen.

Um diese Herausforderung zu meistern, entwickelte das KRISS Quantum Spin Team eine bahnbrechende Methode zur gleichmäßigen Steuerung der magnetischen Anisotropie durch die Nutzung von Wasserstoff in Aluminiumoxid-Isolatoren und markierte damit eine Weltneuheit bei der experimentellen Implementierung von Skyrmion-Transistoren.

Dieser Meilenstein stellt eine weitere grundlegende Technologie für spintronische Geräte dar, nachdem das Institut im Jahr 2021 Erfolge bei der Erzeugung, Löschung und Bewegung von Skyrmionen erzielt hatte. Das Aufkommen des Spintronik-Transistors wird die Entwicklung spintronikbasierter Geräte wie neuromorpher und logischer Geräte beschleunigen, die gegenüber herkömmlichen elektronischen Geräten erhebliche Vorteile in Bezug auf Stromverbrauch, Stabilität und Geschwindigkeit bieten.

Dr. Chan Yong Hwang, Direktor des KRISS Quantum Technology Institute, sagt: „Große koreanische Unternehmen richten ihren Fokus auf Halbleiter der nächsten Generation, die Spintronik nutzen, um die Einschränkungen aktueller Siliziumhalbleiter zu überwinden. Wir planen, die spintronikbezogene Technologie voranzutreiben.“ weiterzuentwickeln und sie in Halbleiterbauelemente und Quantentechnologie der nächsten Generation zu integrieren.“

Über die Bedeutung dieser Errungenschaft sagt Dr. Seungmo Yang, leitender Forscher am KRISS: „Der Transistor hat die digitale Revolution des 20. Jahrhunderts ausgelöst. Jetzt ist der Skyrmion-Transistor bereit, eine ähnliche Transformation zu katalysieren und die Spintronik-Technologie voranzutreiben.“ Revolution des 21. Jahrhunderts.“