от National Research Council of Science & Technology
В эпоху, отмеченную обостряющимся энергетическим кризисом, мир стоит на пороге преобразующей революции в технологии спинтроники, обещающей сверхнизкое энергопотребление в сочетании с превосходной производительностью. Чтобы проиллюстрировать потенциал, рассмотрим следующее: мощность, потребляемая Alpha Go во время ее знаменитой игры Go в 2016 году, равнялась ежедневному потреблению электроэнергии 100 домохозяйствами. К 2021 году автономному искусственному интеллекту Tesla для обучения требовалось более чем в десять раз больше энергии.
В ответ на этот растущий спрос Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) разработал первый в мире транзистор, способный управлять скирмионами. Этот прорыв прокладывает путь к разработке устройств следующего поколения со сверхнизким энергопотреблением и, как ожидается, внесет значительный вклад в квантовые исследования и исследования искусственного интеллекта. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
Скирмионы, расположенные в вихреобразной спиновой структуре, уникальны тем, что их можно уменьшить до нескольких нанометров, что делает их подвижными при исключительно низкой мощности. Эта характеристика позиционирует их как важнейший элемент в эволюции приложений спинтроники.
Взрывной рост электронной техники в 21 веке можно проследить с момента изобретения транзистора в 1947 году в Bell Laboratories в Соединенных Штатах. Выступая в качестве усилителя и переключателя электрических токов, транзистор сыграл ключевую роль в области электронной техники. Открытие скирмиона в 2009 году вызвало широкомасштабные исследования транзистора на основе скирмиона, но отсутствие необходимой технологии для управления движением скирмиона помешало этим усилиям.
Это узкое место было преодолено с помощью недавно разработанного компанией KRISS транзистора skyrmion, который использует запатентованную технологию электронного управления движением скирмионов, созданных в магнитных материалах. Это инновационное решение позволяет точно контролировать поток скирмиона или его остановку, подобно тому, как обычные транзисторы модулируют электрический ток.
Важнейший аспект управления движением магнитных скирмионов заключается в контроле магнитной анизотропии, которая влияет на энергию скирмионов. Предыдущие исследования пытались регулировать магнитную анизотропию с помощью перемещения кислорода внутри устройств, но не смогли добиться единообразного контроля.
Преодолевая эту проблему, команда KRISS Quantum Spin разработала новаторский метод равномерного контроля магнитной анизотропии за счет использования водорода в изоляторах из оксида алюминия, что стало первым в мире экспериментальным внедрением скирмионных транзисторов.
Эта веха представляет собой еще одну основополагающую технологию для спинтронных устройств, после достижения института в 2021 году в области генерации, удаления и перемещения скирмионов. Появление транзистора spintronics должно ускорить разработку устройств на основе спинтроники, таких как нейроморфные и логические устройства, которые предлагают существенные преимущества в энергопотреблении, стабильности и быстродействии по сравнению с традиционными электронными устройствами.
Доктор Чан Ен Хван, директор Института квантовых технологий KRISS, говорит: «Крупные корейские компании переключают свое внимание на полупроводники следующего поколения, которые используют спинтронику, чтобы преодолеть ограничения современных кремниевых полупроводников. Мы планируем и дальше развивать технологии, связанные со спинтроникой, и внедрять их в полупроводниковые приборы следующего поколения и квантовые технологии».
Размышляя о значимости этого достижения, доктор Сынхо Янг, старший научный сотрудник KRISS, говорит: «Транзистор положил начало цифровой революции 20-го века. Теперь транзистор skyrmion готов стать катализатором аналогичной трансформации, способствуя технологической революции в спинтронике 21-го века».
More information: Seungmo Yang et al, Magnetic Skyrmion Transistor Gated with Voltage‐Controlled Magnetic Anisotropy, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202208881
Journal information: Advanced Materials