Déverrouiller la recette des particules magnétiques de conception pour les technologies informatiques de nouvelle génération

L’informatique traditionnelle est de plus en plus remplacée par des techniques d’intelligence artificielle (IA) pour obtenir des capacités de reconnaissance de formes dans de nombreux domaines, notamment la santé, la fabrication et l’informatique personnelle. La complexité croissante des « réseaux de neurones » requis pour les capacités d’IA entraîne une augmentation exponentielle de la consommation d’énergie. Face à des budgets énergétiques de plus en plus réduits, il existe un besoin croissant de traitement des données au point de collecte, dit edge, notamment pour les applications temps réel.

Entrez dans les skyrmions petits mais puissants – de minuscules arrangements sinueux de spins d’électrons qui se forment dans certains films minces magnétiques. Ces supports d’information économes en énergie sont stables à température ambiante et peuvent être déplacés par des courants électriques pour potentiellement imiter la façon dont les signaux sont envoyés et reçus par les cellules nerveuses biologiques du cerveau humain.

À des tailles nanométriques extrêmement petites, les skyrmions peuvent être 100 fois plus petits que les régions magnétiques utilisées dans les disques durs traditionnels, ce qui rend les dispositifs potentiels à base de skyrmions très compacts. Cela en fait des candidats prometteurs pour une utilisation dans les futurs dispositifs informatiques pour réaliser des applications de réseau neuronal à faible consommation d’énergie.

« Les skyrmions magnétiques occupent une position unique car ils présentent un intérêt scientifique, sont stables dans les matériaux et environnements compatibles avec l’industrie et ont des applications dans les problèmes de calcul de pointe », a déclaré le Dr Xiaoye Chen de l’équipe Spin Technology for Electronic Devices (SpEED) de Institut de recherche et d’ingénierie des matériaux (IMRE) d’A*STAR.

« Avec des caractéristiques supérieures telles que la taille à l’échelle nanométrique, une stabilité élevée et un fonctionnement économe en énergie, les skyrmions magnétiques peuvent être une solution puissante pour développer des technologies informatiques neurales reconfigurables innovantes », a ajouté le Dr Mi-Young Im, scientifique au Lawrence Berkeley National Laboratory’s Center for Optique à rayons X (CXRO).

Apprendre à connaître les skyrmions : qu’est-ce qui les rend tels qu’ils sont ?

Afin de concevoir des skyrmions avec les caractéristiques souhaitées adaptées aux besoins spécifiques de l’appareil, une exigence clé est de comprendre quelles propriétés matérielles affectent leur structure et leur stabilité.

Des chercheurs de l’IMRE et de l’Institute of High Performance Computing (IHPC) d’A*STAR, de l’Université nationale de Singapour (NUS) et du CXRO du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) ont collaboré pour explorer les facteurs affectant les principales caractéristiques physiques des skyrmions dans des films, dans une étude publiée dans Sciences avancées en janvier 2022.

Transformer les caractéristiques des skyrmions : ajuster le paramètre magique

L’équipe a exploité une plate-forme magnétique à couche mince comprenant un empilement séquentiel de couches métalliques atomiquement minces, qui avait été précédemment développée à A*STAR. Cette plate-forme multicouche permet de manière unique de contrôler directement les interactions magnétiques régissant les propriétés des skyrmions en faisant varier l’épaisseur des couches constitutives.

L’équipe a étudié les structures de spin formées dans ces couches minces à l’aide d’une gamme de méthodes d’imagerie magnétique spécialisées, notamment la microscopie électronique et la microscopie à rayons X mous, ainsi que des techniques de simulation telles que les calculs ab-initio et micromagnétiques.

Fait intéressant, l’équipe a découvert que plusieurs propriétés clés des skyrmions magnétiques pouvaient être ajustées en faisant varier un seul paramètre de matériau, ?, qui représente vaguement la « facilité » de créer des structures de spin dans le matériau.

Tout d’abord, augmenter la ?-la valeur à partir de zéro provoque un changement brusque dans l’arrangement d’enroulement des spins formant le skyrmion, connu sous le nom d ‘ »hélicité », qui est ensuite fixée pour des valeurs plus grandes de ?.

Ensuite, en augmentant ? modifie l’élasticité des skyrmions, ou « compressibilité ». Pour les plus petits ?-, les skyrmions peuvent facilement rétrécir et se dilater, un peu comme des bulles de savon. Mais pour les plus grands ?-valeurs, ils sont très compacts, comme des boules de billard.

Enfin, l’augmentation de ? modifie davantage la façon dont les skyrmions sont générés à partir de domaines magnétiques allongés et sinueux appelés « rayures ». Pour les plus petits ?-valeurs, les rayures se rétrécissent en skyrmions simples, tandis que pour les plus grands ?-valeurs, une bande peut se diviser, ou « fissionner » en plusieurs skyrmions.

Dans l’ensemble, le travail fournit un cadre basé sur les matériaux pour contrôler les propriétés du skyrmion pour une utilisation future dans les appareils.

Faire monter la température : de la bande aux skyrmions

Dans une étude de suivi publiée dans Examen physique appliqué en avril 2022, l’équipe a utilisé une combinaison de techniques de magnétométrie, d’imagerie et de simulation pour explorer la dépendance à la température de la transition bande-skyrmion.

Leurs travaux ont établi qu’avec l’augmentation de la température, chaque bande se divise ou se fissifie en un plus grand nombre de skyrmions, entraînant une augmentation de la densité des skyrmions. Une telle connaissance de l’impact de la température sur les skyrmions offre des possibilités de développement technologique futur, où des cycles de température contrôlés peuvent être utilisés pour une génération efficace de skyrmions dans de futures applications informatiques non conventionnelles.

Sceller l’affaire : skyrmions personnalisés, optimisés pour la performance

Les deux études fournissant un cadre complet pour contrôler les propriétés des skyrmions, la création de skyrmions personnalisés avec des caractéristiques adaptées à différentes applications est plus proche de la réalité. Par exemple, les appareils électriques peuvent utiliser soit la taille du skyrmion, soit le nombre de skyrmion pour effectuer des opérations logiques, qui pourraient utiliser respectivement des matériaux à faible ? ou à haut ?. En temps voulu, cela pourrait permettre le développement de dispositifs skyrmioniques pour l’informatique de nouvelle génération.