دراسة Skyrmion - تطبيقات AFM لمركز Quantum Diamond NV

هل يمكنك أن تتخيل قرصًا صلبًا لجهاز كمبيوتر محمول بحجم حبة الأرز؟ Skyrmion، وهو هيكل شبه جسيم غامض في المجال المغناطيسي، يمكن أن يجعل هذه الفكرة التي لا يمكن تصورها حقيقة واقعة، مع مساحة تخزين أكبر ومعدلات نقل أسرع للبيانات لهذه "حبة الأرز". فكيف يمكن مراقبة هذا الهيكل الجزيئي الغريب؟ The CIQTEK Quantum Diamond Atomic يمكن أن يخبرك مجهر القوة (QDAFM)، المستند إلى مركز النيتروجين الشاغر (NV) في التصوير الماسي ومسح AFM، بالإجابة.

 

 

ما هو سكيرميون

 

مع التطور السريع للدوائر المتكاملة واسعة النطاق، وعملية الرقائق إلى مقياس النانومتر، تم تسليط الضوء تدريجياً على التأثير الكمي، وواجه "قانون مور" حدودًا فيزيائية. وفي الوقت نفسه، مع هذه الكثافة العالية للمكونات الإلكترونية المتكاملة على الشريحة، أصبحت مشكلة التبديد الحراري تحديًا كبيرًا. يحتاج الناس بشكل عاجل إلى تكنولوجيا جديدة لاختراق عنق الزجاجة وتعزيز التنمية المستدامة للدوائر المتكاملة.

 

يمكن لأجهزة Spintronics تحقيق كفاءة أعلى في تخزين المعلومات ونقلها ومعالجتها من خلال استغلال خصائص دوران الإلكترونات، وهي طريقة مهمة لاختراق المعضلة المذكورة أعلاه. في السنوات الأخيرة، من المتوقع أن تكون الخصائص الطوبولوجية في الهياكل المغناطيسية والتطبيقات المرتبطة بها هي حاملات المعلومات للجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية الدورانية، والتي تعد واحدة من النقاط الساخنة للبحث الحالي في هذا المجال.

 

Skyrmion (المشار إليه فيما بعد باسم Skyrmion المغناطيسي) عبارة عن بنية تدور محمية طوبولوجيًا بخصائص شبه جسيمية، وباعتباره نوعًا خاصًا من جدار المجال المغناطيسي، فإن هيكله عبارة عن توزيع مغنطة مع دوامات. على غرار جدار المجال المغناطيسي، يوجد أيضًا انعكاس لحظي مغناطيسي في Skyrmion، ولكن على عكس جدار المجال، فإن Skyrmion عبارة عن بنية دوامية، ويكون انعكاس عزمه المغناطيسي من المركز إلى الخارج، والأنواع الشائعة هي من نوع Bloch Skyrmions وSkyrmions من نوع نيل.

 

الشكل 1:  رسم تخطيطي لهيكل skyrmion. ( أ ) Skyrmions من نوع Neel ( ب ) Skyrmions من نوع Bloch

 

Skyrmion عبارة عن حامل معلومات طبيعي يتمتع بخصائص فائقة مثل سهولة التلاعب وسهولة الثبات وصغر الحجم وسرعة القيادة السريعة. لذلك، من المتوقع أن تلبي الأجهزة الإلكترونية المعتمدة على Skyrmions متطلبات الأداء للأجهزة المستقبلية من حيث عدم التقلب، والقدرة العالية، والسرعة العالية، وانخفاض استهلاك الطاقة.

 

ما هي تطبيقات Skyrmions

 

ذاكرة مضمار السباق Skyrmion

تستخدم ذاكرة مضمار السباق أسلاكًا نانوية مغناطيسية كمسارات وجدران المجال المغناطيسي كحاملات، حيث يقود التيار الكهربائي حركة جدران المجال المغناطيسي. في عام 2013، اقترح الباحثون ذاكرة حلبة السباق Skyrmion، وهي بديل واعد أكثر. بالمقارنة مع كثافة محرك الأقراص الحالية لجدار المجال المغناطيسي، فإن Skyrmion أصغر بمقدار 5-6 أوامر، مما قد يؤدي إلى انخفاض استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة. عن طريق ضغط Skyrmions، يمكن أن تكون المسافة بين Skyrmions المجاورة وقطر Skyrmion بنفس الترتيب من حيث الحجم، مما قد يؤدي إلى كثافة تخزين أعلى.

 

الشكل 2: ذاكرة مضمار السباق المستندة إلى Skyrmion

 

ترانزستور سكيرميون

يمكن أيضًا استخدام Skyrmions في اتجاه الترانزستورات، مما يفتح أفكارًا جديدة لتطوير أشباه الموصلات. كما هو مبين في الشكل 3، يتم إنشاء Skyrmion في أحد طرفي الجهاز باستخدام MTJ (تقاطع النفق المغناطيسي)، متبوعًا بتيار استقطاب دوراني لدفع Skyrmion نحو الطرف الآخر. لتحقيق حالة التبديل للترانزستور، يتم تثبيت بوابة في منتصف الجهاز. من خلال تطبيق الجهد على البوابة، يتم إنشاء مجال كهربائي، والذي يمكن أن يغير التباين المغناطيسي العمودي للمادة وبالتالي التحكم في تشغيل / إيقاف Skyrmion. عندما لا يتم تطبيق أي جهد، يمكن أن يمر Skyrmion عبر البوابة إلى الطرف الآخر من الجهاز، ويتم تعريف هذه الحالة على أنها حالة التشغيل؛ عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي، لا يمر Skyrmion عبر البوابة، ويتم تعريف هذه الحالة على أنها حالة إيقاف التشغيل.

 

الشكل 3: ترانزستور سكيرميون

 

الحوسبة غير التقليدية القائمة على Skyrmion

بالمقارنة مع وحدات الحوسبة التقليدية، تتمتع وحدات الحوسبة العصبية بمزايا انخفاض استهلاك الطاقة والحوسبة واسعة النطاق من حيث الشبكات العصبية. لتصنيع وحدات الحوسبة العصبية تحتاج إلى تلبية متطلبات حجم النانومتر، وعدم التقلب، وانخفاض استهلاك الطاقة. تقدم Skyrmion إمكانيات جديدة لمثل هذه الأجهزة. يتحكم Skyrmion في الحركة، والتي يمكنها محاكاة الأعصاب البيولوجية بشكل جيد، وفي الوقت نفسه، يمكن لـ Skyrmion التخلص من تأثير ربط الشوائب بكفاءة أكبر، مما يجعلها أكثر قوة.

 

الشكل 4:  (أ) جهاز الحوسبة العصبية القائم على Skyrmion (ب) جهاز الحوسبة العشوائية القائم على Skyrmion

 

يمكن أيضًا استخدام Skyrmions في أجهزة الحوسبة العشوائية. في حين أن تقنيات الحوسبة السائدة تقوم بتشفير القيم بتنسيق ثنائي تقليدي، فإن الحوسبة العشوائية يمكنها بشكل مستمر معالجة تدفق عشوائي من البتات. تستخدم دوائر أشباه الموصلات التقليدية مجموعة من مولدات الأرقام العشوائية الزائفة وسجلات التحول لتوليد الإشارات، وهو ما يعيبه ارتفاع تكلفة الأجهزة وانخفاض كفاءة الطاقة. اكتشف الباحثون مؤخرًا جيلًا مستحثًا حراريًا من السكيرميون، نظريًا وتجريبيًا، والذي يوفر الأساس لأجهزة الحوسبة العشوائية المعتمدة على سكيرميون.

 

مجهر القوة الذرية الماسي الكمي CIQTEK في تطبيق أبحاث Skyrmion

 

لا يمكن إجراء دراسة Skyrmions دون تقنيات المراقبة المناسبة، ويشيع استخدام التقنيات التالية لمراقبة Skyrmions في الفضاء الحقيقي:

مجهر لورنتز الإلكتروني النافذ (LTEM)، والذي يتمثل مبدأه في استخدام شعاع إلكتروني لاختراق العينة وتسجيل قوة لورنتز على الإلكترونات؛ الفحص المجهري للقوة المغناطيسية (MFM)، والذي يستخدم طرفًا مغناطيسيًا لتسجيل قوى المجال المغناطيسي على سطح العينة باستخدام تقنيات الفحص المجهري للقوة الذرية؛ الفحص المجهري بالأشعة السينية، ومبدأه هو أن معدل امتصاص الأشعة السينية يمكن أن يعكس المجال المغناطيسي للعينة؛ ومجهر كير المغناطيسي البصري (Moke)، الذي يستخدم تأثير كير المغناطيسي البصري لقياس توزيع المغنطة. كل أداة من أدوات الرصد هذه لها حدودها، مثل متطلبات حجم العينة المطلوبة لـ LTEM، والاستبانة المكانية الضعيفة لـ Moke، والخصائص المغناطيسية لطرف MFM التي يمكن أن تؤثر على تصوير Skyrmions.

 

في السنوات الأخيرة، جذب وجود بنية معيبة خاصة في الماس، مركز النيتروجين الشاغر (NV)، انتباه الباحثين. يمكن الحصول على شدة مكون المجال المغناطيسي في محور NV من خلال معالجة وقراءة الحالة الكمومية لدوران الإلكترون لمركز NV بواسطة الميكروويف والليزر.

 

الفحص المجهري لمسبار المسح المركزي (SPM) هو دمج مركز NV في الماس في طرف مسبار AFM، جنبًا إلى جنب مع تقنية المسح AFM للحصول على نتائج المجال المغناطيسي على سطح العينة، مع مزايا الحساسية العالية جدًا (1 وحدة / وحدة) هرتز1/2)، الدقة المكانية (10 نانومتر) وعدم الغزو. يتم استخدام NV SPM لدراسة مجموعة متنوعة من الهياكل المغناطيسية ذات الاهتمام، مثل مسح مجالات الدوامة المغناطيسية المتغايرة، مما يتيح تحديد قطبية وتلاطط النوى الدوامة المغناطيسية؛ قياس تشكيل جدران المجال المغناطيسي، ومراقبة ديناميكيات جدران المجال تحت التعديل.

 

يهدف الباحثون إلى دراسة مواد جديدة وتحضير سكيرميون يكون مستقرًا في درجة حرارة الغرفة مع عدم وجود حقول، وصغير الحجم، وسهل التعامل معه. يعتبر مركز Diamond NV SPM مناسبًا تمامًا للتصوير المغناطيسي الكمي عالي الدقة للسكيرميونات في درجة حرارة الغرفة. 

 

حاليًا ، نجحت NV SPM تمامًا في دراسة بنية مغنطة Skyrmions  والعمليات  الفيزيائية ذات الصلة. على سبيل المثال:

1) إعادة بناء هيكل المغنطة بناءً على توزيع المجال الضال للسكيرميون.

الشكل 5: الفحص المجهري لمسبار المسح NV لحل هيكل مغنطة skyrmion 

(شريط النطاق: 500 نانومتر)

2) دراسة الشكل التركيبي للسكيرميونز. على سبيل المثال، قامت مجموعة جاك بدراسة مورفولوجيا السكايرميون في الطبقات المتعددة المغناطيسية Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

الشكل 6:  مجهر مسبار المسح NV لدراسة مورفولوجيا skyrmion

 

3) ملاحظة التطور الحركي الجوهري للسكيرميون. على سبيل المثال، قامت مجموعة Ania بدراسة تطور السكيرميون في نظام Ta/CoFeB/MgO في ظل تباين المجال المغناطيسي الخارجي.

 

الشكل 7:  مجهر مسبار المسح NV لدراسة Skyrmion تحت المجال المغناطيسي الخارجي

 

 

4) دراسة العملية الحركية للسكيرميونات التي يحركها التيار.

 

الشكل 8:  مجهر مسبار المسح NV المستخدم لدراسة ديناميكيات skyrmions التي يحركها التيار

 

مجهر مسبار المسح CIQTEK NV - مجهر القوة الذرية الماسي الكمي (QDAFM)، يتمتع بمزايا فريدة لكونه غير جراحي، ويمكنه تغطية نطاق واسع من درجات الحرارة، ونطاق قياس مجال مغناطيسي كبير. يمكن تطبيقه على التصوير المغناطيسي المادي ثنائي الأبعاد، والتصوير بتيار النانو، والتصوير المغناطيسي الدوامي فائق التوصيل، والتصوير المغناطيسي الخلوي، وله مجموعة واسعة من التطبيقات في علوم الكم والكيمياء وعلوم المواد، بالإضافة إلى العلوم البيولوجية والطبية. مجالات البحث.

 

مجهر القوة الذرية الماسي الكمي CIQTEK

( النسخة المحيطة والنسخة المبردة)