Иллюстрация: Fengshan Zheng et al. / Nature. Изучение процессов образования хопфионных колец вокруг скирмионных струн — это самый передовой край физики конденсированного состояния и магнитной топологии. Главная цель этих исследований — переход от плоских магнитных технологий к эффективным и полностью трехмерным спинтронным устройствам памяти и нейроморфных вычислений нового поколения. Основные причины, зачем ученые изучают эту систему: 1) Создание стабильной трехмерной памяти (3D Спинтроника). Обычные двумерные скирмионы (магнитные микровихри) при движении под действием тока смещаются вбок (эффект Холла для скирмионов), что приводит к их потере на границах нанотреков. Трехмерные хопфионы (замкнутые скрученные струны в форме пончика) лишены этого недостатка и могут стабильно двигаться строго вдоль наноустройства без дрейфа.
Понимание того, как они «надеваются» в виде колец на скирмионные струны, позволяет конструировать сверхплотные ячейки памяти, где данные кодируются сложными трехмерными топологическими узлами.
2) Новые методы генерации квазичастиц. Долгое время физикам не удавалось надежно и воспроизводимо создавать хопфионы в твердых телах. Обнаружение того, что хопфионные кольца могут естественным образом зарождаться и стабилизироваться вокруг линейных скирмионных струн (например, в гелимагнетике FeGe), дало ученым готовый технологический протокол их генерации с помощью точечных манипуляций магнитным полем.
3) Управление магнитными потоками и защита данных. Скирмионные струны выступают в роли своеобразных «рельсов» или направляющих, а хопфионные кольца — устойчивых носителей заряда или информационных битов, которые обжимают эти струны. За счет топологической защищенности (структуру невозможно разрушить без колоссального внешнего воздействия) такие системы гарантируют высочайшую стабильность хранения данных при минимальном потреблении энергии.
4) Фундаментальная физика микромира. Взаимодействие скирмионов и хопфионов позволяет физикам «в пробирке» (в кристаллах) моделировать сложные топологические процессы, происходящие в физике элементарных частиц и космологии. Математические модели, описывающие эти кольца и струны, идентичны теориям, объясняющим поведение барионов или гипотетических космических струн.
В ходе проведенных исследований был зафиксирован уникальный физический процесс формирования хопфионных колец вокруг скирмионных струн в тонкопленочном слое гелимагнетика FeGe. Авторы работы разработали протокол для воспроизводимой генерации данных структур, а результаты микромагнитного моделирования подтвердили их устойчивость и потенциал применения в области спинтроники. Полученные данные были опубликованы в журнале Nature. Хопфион представляет собой трехмерный топологический солитон — локализованное возбуждение намагниченности, обладающее способностью к перемещению и взаимодействию аналогично элементарным частицам.
Его можно представить как результат вращения вертикальной плоскости, в которой находится скирмион, который уже научились контролировать с помощью бомбардировки атомами аргона, использовать для записи информации и выполнять логические операции.
В твердом теле скирмионы образуют струны, протянутые от одного края кристалла до другого. Однако их структура не является жесткой — их можно гнуть и закручивать, что, например, позволяет получать скирмионные сплетения. Их наблюдали в конденсате Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87, а также обнаружили в луче света с суперпозицией право- и левополяризованных фотонов.
Фэншань Чжэн (Fengshan Zheng) с коллегами из Южно-китайского технологического университета получили хопфионные кольца из замкнутых закрученных скирмионных струн вокруг линейных скирмионных струн в тонкой пленке FeGe. Для наблюдения за их образованием они использовали просвечивающий электронный микроскоп, который позволяет получать микрофотографию образца, создавая при этом магнитное поле, не искажающее данные.
Процесс генерации хопфионного кольца. Fengshan Zheng et al.
Чтобы получить хопфионное кольцо вокруг скирмионной струны, авторы разработали специальный протокол. Для начала пластинка FeGe была помещена в положительное магнитное поле с напряженностью в 250 миллитесла. После этого магнитное поле направлялось в обратную сторону, но с напряженностью в 50 миллитесла, чтобы не разрушить скирмионные струны. При таком воздействии намагниченность меняет знак по периметру диска. После чего магнитное поле вновь возвращали в начальное положение, а на периметре диска возникали краевые модуляции, которые при увеличении магнитного поля сжимались и формировали хопфионное кольцо. Повторив такие манипуляции возможно сформировать и второе хопфионное кольцо, однако данный процесс нередко приводил и к исчезновению обоих колец.
Зависимость геометрии скирмионных струн и хопфионного кольца от магнитного поля. Fengshan Zheng et al. / Nature
Изображения с Лоренц-электронного микроскопа для хопфионных колец с разным зарядом (числом скирмионных струн внутри). Fengshan Zheng et al.
Авторы получили множество конфигураций скирмионных струн и хопфионных колец: например, получили хопфионное кольцо вокруг 12 скирмионных струн, а также изучили как их геометрия изменяется при увеличении магнитного поля. Все фигуры сжимаются, при этом ромб из четырех струн становится идеальным квадратом, а пяти и шести струнные массивы стремятся к идеальному пятиугольнику, только в последнем случае скирмионная струна оказывается в центре. Подобное поведение напрямую коррелирует со стремлением хопфионного кольца, которое в малых полях воспроизводит форму массива струн, стать окружностью.
Сравнение экспериментальных данных с теоретическими, полученными из моделирования. Fengshan Zheng et al. / Nature
Микромагнитное моделирование также позволило получить похожие устойчивые решения солитонов. Для этого авторы минимизировали энергию гамильтониана, включавшего в себя обменное взаимодействие, взаимодействие Дзялошинского — Мория, зеемановское расщепление и размагничивающие поля. С помощью моделирования удалось также посчитать, каким образом хопфионное кольцо будет перемещаться вдоль скирмионной струны.
Моделирование перемещения хопфионного кольца вдоль скирмионной струны
Fengshan Zheng et al.
По словам авторов, подобная генерация хопфионных колец и управлением ими найдет широкое применение в спинтронике и нейроморфных вычислениях, а два года назад физики уже научились управлять отдельными скирмионами.
Ближайшее будущее
Будущее технологий на основе хопфионных колец и скирмионных струн лежит в создании полноценной трехмерной (3D) наноэлектроники, которая заменит кремниевые полупроводники.
Вот главные направления, которые станут реальностью в ближайшие десятилетия:
- Переход от микросхем к «кристаллам памяти» (3D-трековая память)
Современная память (даже флеш-память) строится на плоских слоях. Хопфионы на скирмионных струнах позволят создавать истинно трехмерную память.
- Данные будут храниться не в плоскости, а в объеме материала.
- Роль битов («0» и «1») будут играть хопфионные кольца, нанизанные на струны.
- Плотность записи вырастет в тысячи раз, что позволит уместить дата-центр в корпусе обычного смартфона.
- Энергонезависимые процессоры с нулевым нагревом
Сегодня процессоры сильно греются из-за сопротивления при движении электронов. Хопфионные структуры обладают топологической защитой — их невозможно разрушить дефектами материала.
- Для их перемещения нужны микротоки, которые в 100–1000 раз меньше, чем в современных транзисторах.
- Электроника будущего сможет работать недели без подзарядки и практически перестанет выделять тепло.
- Нейроморфные (мозгоподобные) чипы
Человеческий мозг устроен трехмерно, а его нейроны связаны сложной сетью синапсов. Хопфионные кольца могут свободно скользить вдоль струн, взаимодействовать друг с другом, объединяться или распадаться.
- Это идеальная база для аппаратного искусственного интеллекта.
- Чипы будут физически менять свои магнитные связи в реальном времени, имитируя пластичность человеческого мозга и обучаясь «на лету» без программного кода.
- Топологические квантовые вычисления
Поскольку хопфионы представляют собой сложные узлы в магнитном поле, их зацепления и переплетения можно использовать как квантовые биты (кубиты). Благодаря своей геометрической стабильности, такие кубиты будут защищены от внешних шумов и квантовой декогеренции — главной проблемы современных квантовых компьютеров.
Временной горизонт: Сейчас физика хопфионов находится на стадии лабораторных открытий и доказательства концепций. Первые коммерческие специализированные чипы (например, для сверхэффективных нейросетей) могут появиться на рынке ближе к 2035–2040 годам.
Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/
