خلاصه خبر:
موسسه تحقیقاتی استانداردها و علوم کره (KRISS) تولید و کنترل اسکایرمیونها - ساختارهای چرخشی گرداب مانند - در مواد دوبعدی (2 بعدی) در دمای اتاق را برای اولین بار در جهان انجام داد. این اسکایرمیون ها که به طور سنتی در آهنرباهای سه بعدی کاوش می شدند، نوید استفاده از انرژی بسیار کم و عملکرد پایدار را می دهند، زیرا اصطکاک و نویز کمتری را در محیط های دو بعدی ایجاد می کنند. موسسه KRISS با اعمال ولتاژ و میدان های مغناطیسی دقیق برای کنترل جهت اسکایرمیون به این موفقیت دست یافت و مصرف توان را به 1/1000 سیستم های سه بعدی کاهش داد. این توسعه برای دستگاه‌های نسل بعدی حیاتی است و پیشرفت‌هایی را در نیمه‌رساناهای هوش مصنوعی و رایانه‌های کوانتومی با دمای اتاق ممکن می‌سازد. علاوه بر این، کار KRISS پتانسیل ایجاد کیوبیت در دمای اتاق را برجسته می‌کند و جهش قابل توجهی را نسبت به رایانه‌های کوانتومی سنتی که فقط در دماهای بسیار پایین کار می‌کنند، ارائه می‌کند.
توضیحات تکمیلی:
مؤسسه تحقیقات استاندارد و علم کره جنوبی (KRISS) موفق به ایجاد و کنترل اسکایرمیونها (skyrmions)، یک ساختار اسپینی خاص با شکل گردابی، در دمای اتاق در مواد دو بعدی شده است.اسکایرمیونها شبه‌ذرات مغناطیسی هستند که برای کنترل به انرژی کمی نیاز دارند و به همین دلیل گزینه‌ای ایده‌آل برای الکترونیک پیشرفته محسوب می‌شوند. برخلاف سیستم‌های مغناطیسی سه‌بعدی (سه‌بعدی) سنتی، که معمولاً از اسکایرمیونها استفاده می‌شود، این اسکایرمیون‌های دوبعدی به تقریباً 1000/1 توان نیاز دارند، در حالی که اصطکاک، گرما و نویز عملیاتی را نیز کاهش می‌دهند. این نقطه عطف راه را برای کاربردهایی در نیمه هادی های هوش مصنوعی فوق کارآمد و رایانه های کوانتومی هموار می کند که می توانند بدون دمای بسیار پایین مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی کار کنند.
این مطالعه که در Advanced Materials منتشر شده است، بر پتانسیل مواد دوبعدی واندروالس (vdW) به ویژه Fe3GaTe2 (FGaT) تاکید می کند که امکان تولید اسکایرمیون های دمای اتاق را با استفاده از میکروسکوپ اشعه ایکس نرم انتقال مغناطیسی با وضوح بالا (high-resolution magnetic transmission soft X-ray microscopy) فراهم می کند. تیم KRISS با استفاده از ولتاژ و میدان مغناطیسی دقیق بر روی FGaT، موفق به ایجاد و کنترل اسکایرمیونها با چگالی جریان بسیار پایین شد. این تکنیک کنترل بی‌سابقه‌ای را ممکن ساخت که اسکایرمیونها را به هر جهتی با انرژی بسیار کم حرکت دهد، چیزی که پیش‌تر در سیستم‌های سه‌بعدی محقق نشده بود.
از آنجایی که اسکایرمیونها در مواد دو بعدی کوچک‌تر هستند و می‌توانند با حداقل قدرت ایجاد شوند، اثرات کوانتومی را تقویت می‌کنند و پایه‌ای امیدوارکننده برای نسل بعدی دستگاه‌های اسپینترونیک دو بعدی ارائه می‌کنند. حداقل انرژی مورد نیاز آنها کاملاً با تقاضای فزاینده برای راه حل های نیمه هادی پایدار و کم مصرف، به ویژه در هوش مصنوعی (AI) که در آن سرعت پردازش و بهره وری انرژی حیاتی است، مطابقت دارد. علاوه بر این، نوآوری KRISS به طور بالقوه می تواند یکی از محدودیت های اصلی در محاسبات کوانتومی را برطرف کند: دما. در حال حاضر، اکثر رایانه‌های کوانتومی برای حفظ ثبات کیوبیت به شرایط تقریباً صفر مطلق نیاز دارند، اما پیشرفت KRISS امکان استفاده از کیوبیت‌های دمای اتاق را پیشنهاد می‌کند که محاسبات کوانتومی را بسیار در دسترس‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند.
از نظر تاریخی، تحقیقات اسکایرمیون به آهنرباهای سه بعدی محدود شده است، جایی که اصطکاک و نویز باعث محدودیت پایداری اسکایرمیون و کنترل حرکت می شود. اولین گزارش از آهنرباهای دو بعدی در سال 2017 افق های تحقیقاتی را گسترش داد و نقطه عطف امروز توسط KRISS مزایای دستکاری اسکایرمیون دو بعدی را نشان می دهد که از بسیاری از محدودیت های سیستم های سه بعدی سنتی جلوگیری می کند. اسکایرمیون‌های دوبعدی بر روی «سطح صاف‌تر» کار می‌کنند و با کاهش حرارت عملیاتی و ایجاد ثبات در شرایط دمای اتاق، عملکرد قابل‌توجهی را برای دستگاه‌های اسپینترونیک افزایش می‌دهند.
به گفته Seungmo Yang، دانشمند ارشد مؤسسه KRISS، تاثیر این پیشرفت در بخش هوش مصنوعی بسیار گسترده است، زیرا با پیچیده‌تر شدن برنامه‌های هوش مصنوعی نیاز به فناوری‌های نیمه‌هادی کم‌مصرف به سرعت افزایش می‌یابد. دستگاه‌های مبتنی بر Skyrmion می‌توانند جدول زمانی توسعه را در زمینه‌هایی مانند کشف دارو را کوتاه کنند، جایی که پردازش سریع داده‌ها بسیار مهم است. او گفت: «فناوری کنترل skyrmion ما می‌تواند به طراحی نسل بعدی دستگاه‌های نیمه‌رسانای هوش مصنوعی کمک کند،» و افزود که نزدیکی این مرکز به غول‌های بیوتکنولوژی مانند Samsung Biologics و Celltrion فرصت‌های امیدوارکننده‌ای را برای همکاری‌های صنعتی در کره جنوبی ارائه می‌دهد.
با پیشرفت‌های KRISS در ایجاد و دستکاری اسکایرمیونها در مواد دو بعدی، کره جنوبی خود را در خط مقدم نوآوری کوانتومی و اسپینترونیک قرار داده است. این پیشرفت نه تنها برای تسریع توسعه محاسبات کوانتومی و نیمه هادی های هوش مصنوعی، بلکه برای ایجاد نسل جدیدی از فناوری که اثرات کوانتومی را در دمای عملیاتی استاندارد به حداکثر می رساند، نویدبخش است و چشم انداز محاسبات کوانتومی و کاربردهای فناوری پایدار را در سراسر جهان تغییر می دهد.
منبع
https://phys.org/news/2024-11-skyrmions-room-temperature-2d-topological.html
Yubin Ji et al, Direct Observation of Room‐Temperature Magnetic Skyrmion Motion Driven by Ultra‐Low Current Density in Van Der Waals Ferromagnets, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202312013
