約翰內(nèi)斯古登堡大學(xué)美因茨分校(JGU)研究人員成功地開發(fā)了一種非傳統(tǒng)計算概念的關(guān)鍵組成部分。這種元件采用了與正在研究磁結(jié)構(gòu)相同的磁結(jié)構(gòu)，這種磁結(jié)構(gòu)與將電子數(shù)據(jù)存儲在稱為磁道的移位寄存器上有關(guān)。

在這項研究中，研究人員研究了所謂的skyrmions（斯格明子），這是一種類似磁渦旋的結(jié)構(gòu)，作為數(shù)據(jù)存儲的潛在比特單位。然而，新方法與概率計算特別相關(guān)。這是電子數(shù)據(jù)處理的另一種概念，其中信息以概率的形式傳輸，而不是傳統(tǒng)的二進制形式1和0。

例如，數(shù)字2/3可以表示為一個由1位和0位組成的長序列，其中2/3是1,1/3是0。該方法缺少的關(guān)鍵元素是一個功能位重組器，即一種不改變序列中1和0的總數(shù)而隨機重新排列數(shù)字序列的裝置。這正是skyrmions的目標(biāo)，這項研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上。研究人員使用薄磁性金屬薄膜進行研究，這些是在美因茨在一個特殊的顯微鏡下檢查，使磁性排列的金屬薄膜可見。薄膜具有與薄膜平面垂直排列磁化的特殊特性，這使得磁性天空粒子的穩(wěn)定成為可能。

Skyrmions基本上可以被想象成小的磁渦旋，類似于毛旋。這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種所謂的拓撲穩(wěn)定，可以防止它們過于容易地坍塌——就像頭發(fā)螺旋不容易被拉直一樣。正是這種特性使得skyrmions在技術(shù)應(yīng)用方面非常有前途，比如在這個特殊的例子中，信息存儲。其優(yōu)點是增加的穩(wěn)定性降低了意外數(shù)據(jù)丟失的概率，并確保了比特的總體數(shù)量得到維護。

數(shù)據(jù)序列組織的重組器

重新“重組器”接收固定數(shù)量的輸入信號，如1和0，并將它們混合在一起，創(chuàng)建一個具有相同總數(shù)的1和0位數(shù)字的序列，但順序是隨機重新排列的。第一個目標(biāo)是將skyrmion數(shù)據(jù)序列傳輸?shù)皆O(shè)備上，這相對容易實現(xiàn)，因為skyrmion可以在電流的幫助下輕松移動。

然而，參與該項目的研究人員現(xiàn)在第一次成功地在重組器中實現(xiàn)了熱skyrmion擴散，從而使它們的精確運動完全不可預(yù)測。反過來，正是這種不可預(yù)測性使得隨機重新排列比特序列成為可能，同時又不會丟失任何比特。這個新開發(fā)組件是以前缺少的一塊拼圖，現(xiàn)在使概率計算成為一個可行的選擇。

成功的跨學(xué)科協(xié)作

有三個方面促成了成功，首先能夠制造出一種材料，在這種材料中，skyrmion只能對熱刺激做出反應(yīng)。其次發(fā)現(xiàn)我們可以把天王星想象成一種粒子，其運動方式類似于液體中的花粉。最終能夠證明重組器原理可以應(yīng)用于實驗系統(tǒng)，并用于概率計算。這項研究是在多個研究所的合作下進行，我很高興能夠為這個項目做出貢獻。非常有趣的是，實驗?zāi)軌蜃C明拓撲skyrmions不僅是研究自旋電子學(xué)相關(guān)問題的合適系統(tǒng)，而且是研究統(tǒng)計物理的合適系統(tǒng)。多虧了美因茨優(yōu)秀研究生院，我們能夠把不同的物理領(lǐng)域聚集到一起，這些領(lǐng)域目前通常都是各自獨立運作，但很明顯，這可以從合作中受益。

JGU物理研究所教授，美因茨（MAINZ）卓越材料科學(xué)研究生院院長MathiasKl?ui說：我特別期待未來與美因茨大學(xué)的理論物理團隊在自旋結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的合作將展示我們的新TopDyn - 動力學(xué)和拓撲學(xué)中心。研究中心指導(dǎo)委員會成員、JGU物理研究所埃米·諾特(Emmy Noether)研究小組TWIST的負責(zé)人卡琳·埃弗舍爾-西特說：從這項研究工作中我們可以看到，自旋電子學(xué)領(lǐng)域在算法智能方面提供了有趣的新硬件可能性，這是最近成立的JGU新興算法智能中心正在研究的一個新興現(xiàn)象。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?美因茨大學(xué)

參考期刊文獻:《Nature Nanotechnology》

DOI: 10.1038/s41565-019-0436-8

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