有望改变传统内存的新技术

磁铁产生吸引某些材料的无形磁场。一个常见的例子是冰箱贴。对我们的日常生活来说更为重要的是，磁铁还可以在计算机中存储数据。利用磁场的方向（例如，向上或向下），每个微型条形磁铁都可以将一位内存存储为零或一——计算机的语言。

美国能源部 (DOE)阿贡国家实验室的科学家们希望用微小的磁涡流取代条形磁铁。这些涡流小到十亿分之一米，被称为斯格明子，形成于某些磁性材料中。他们有一天可能会迎来新一代的微电子技术，用于高性能计算机的内存存储。

“计算机内存中的条形磁铁就像打了一个结的鞋带；在阿贡材料科学部 (MSD) 工作的西北大学研究生 Arthur McCray 说：并且任何由于某些中断而发生故障的条形磁铁都会影响其他条形磁铁。

“相比之下，skyrmions 就像是打了双结的鞋带。无论你多么用力地拉一根绳子，鞋带仍然系着。” 因此，skyrmions 对任何干扰都非常稳定。另一个重要特征是科学家可以通过改变温度或施加电流来控制它们的行为。

科学家们对不同条件下的斯格明子行为有很多了解。为了研究它们，阿贡领导的团队开发了一个人工智能 (AI) 程序，该程序与纳米材料中心 (CNM) 的高功率电子显微镜一起工作，纳米材料中心是阿贡的美国能源部科学办公室用户设施。显微镜可以在非常低的温度下观察样品中的斯格明子。

该团队的磁性材料是铁、锗和碲的混合物。在结构上，这种材料就像一叠有很多张纸的纸。一堆这样的薄片包含许多斯格明子，可以从顶部剥离一张薄片并在 CNM 等设施中进行分析。

“CNM 电子显微镜与一种称为机器学习的 AI 相结合，使我们能够可视化斯格明子片及其在不同温度下的行为，”MSD 的博士后任命 Yue Li 说。

“我们最有趣的发现是，在零下 60 华氏度及以上温度下，斯格明子以高度有序的模式排列，”MSD 的材料科学家兼小组组长 Charudatta Phatak 说。“但是当我们冷却样品时，skyrmion 排列会发生变化。” 就像啤酒泡沫中的气泡一样，一些 skyrmions 变大，一些变小，一些合并，一些消失。

在负 270 度时，该层达到几乎完全无序的状态，但当温度回到负 60 度时，秩序又回来了。这种随温度变化的有序-无序转变可以在未来的微电子学中用于记忆存储。

“我们估计 skyrmion 的能量效率可能比研究中使用的高性能计算机中的当前内存高 100 到 1000 倍，”麦克雷说。

能源效率对于下一代微电子技术至关重要。今天的微电子已经占世界能源使用的很大一部分，并可能在十年内消耗近 25%。必须找到更节能的电子产品。

“在 skyrmions 以低功耗进入任何未来的计算机内存之前，我们还有一段路要走，”Phatak 说。“尽管如此，这种对微电子学的全新思考方式是下一代设备的关键。”

这项研究得到了美国能源部基础能源科学办公室的支持。该团队的机器学习程序在美国能源部科学办公室用户设施 Argonne Leadership Computing Facility 的超级计算资源上运行。

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