ตัวเปลี่ยนเกมที่เป็นไปได้สำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป

แม่เหล็กสร้างสนามที่มองไม่เห็นซึ่งดึงดูดวัสดุบางชนิด ตัวอย่างทั่วไปคือแม่เหล็กติดตู้เย็น แม่เหล็กมีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันของเรามาก แม่เหล็กยังสามารถเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์ได้อีกด้วย ใช้ประโยชน์จากทิศทางของสนามแม่เหล็ก (เช่น ขึ้นหรือลง) แถบแม่เหล็กขนาดจิ๋วแต่ละอันสามารถเก็บหน่วยความจำหนึ่งบิตเป็นศูนย์หรือหนึ่ง - ภาษาของคอมพิวเตอร์ นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) ต้องการเปลี่ยนแท่งแม่เหล็กด้วยกระแสแม่เหล็กขนาดเล็ก กระแสน้ำวนเหล่านี้มีขนาดเล็กเพียงหนึ่งในพันล้านเมตร เรียกว่า skyrmions ซึ่งก่อตัวขึ้นในวัสดุแม่เหล็กบางชนิด สักวันหนึ่งพวกเขาอาจนำไมโครอิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่สำหรับการจัดเก็บหน่วยความจำในคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง Arthur McCray นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาจาก Northwestern University ซึ่งทำงานในแผนกวัสดุศาสตร์ (MSD) ของ Argonne กล่าวว่า "แถบแม่เหล็กในหน่วยความจำของคอมพิวเตอร์เปรียบเสมือนเชือกผูกรองเท้าที่ผูกด้วยปมเพียงเส้นเดียว และแท่งแม่เหล็กใดๆ ที่ทำงานผิดปกติเนื่องจากการหยุดชะงักบางอย่างจะส่งผลกระทบต่อสิ่งอื่นๆ "ในทางตรงกันข้าม skyrmions ก็เหมือนเชือกผูกรองเท้าที่มัดด้วยเงื่อนคู่ ไม่ว่าคุณจะดึงเชือกหนักแค่ไหน เชือกผูกรองเท้าก็ยังคงผูกอยู่" ดังนั้น skyrmions จึงมีความเสถียรอย่างมากต่อการหยุดชะงักใดๆ คุณสมบัติที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือนักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมพฤติกรรมของมันได้โดยการเปลี่ยนอุณหภูมิหรือใช้กระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์มีหลายสิ่งที่ต้องเรียนรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมของท้องฟ้าภายใต้สภาวะต่างๆ เพื่อศึกษาสิ่งเหล่านี้ ทีมที่นำโดย Argonne ได้พัฒนาโปรแกรมปัญญาประดิษฐ์ (AI) ที่ทำงานร่วมกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังสูงที่ Center for Nanoscale Materials (CNM) ซึ่งเป็นสำนักงานของผู้ใช้ DOE Office of Science ที่ Argonne กล้องจุลทรรศน์สามารถเห็นภาพ skyrmions ในตัวอย่างที่อุณหภูมิต่ำมาก วัสดุแม่เหล็กของทีมเป็นส่วนผสมของเหล็ก เจอร์เมเนียม และเทลลูเรียม ตามโครงสร้างแล้ววัสดุนี้เปรียบเสมือนกระดาษที่มีหลายแผ่น กองของแผ่นดังกล่าวประกอบด้วย skyrmions จำนวนมาก และสามารถลอกแผ่นเดียวจากด้านบนและวิเคราะห์ที่โรงงานเช่น CNM Yue Li ผู้ได้รับการแต่งตั้งหลังปริญญาเอกใน MSD กล่าวว่า เกม "กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ CNM ประกอบกับรูปแบบหนึ่งของ AI ที่เรียกว่าแมชชีนเลิร์นนิงทำให้เราเห็นภาพแผ่น skyrmion และพฤติกรรมของพวกมันในอุณหภูมิต่างๆ ได้ จารุทัต ผาทัก นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและหัวหน้ากลุ่มของ MSD กล่าวว่า "การค้นพบที่น่าสนใจที่สุดของเราคือการจัดเรียงสกายอาร์เมียนในรูปแบบที่มีลำดับสูงที่อุณหภูมิลบ 60 องศาฟาเรนไฮต์ขึ้นไป "แต่เมื่อเราทำให้ตัวอย่างเย็นลง การจัดเรียงของท้องฟ้าจะเปลี่ยนไป" เช่นเดียวกับฟองอากาศในโฟมเบียร์ บางส่วนก็ใหญ่ขึ้น บางส่วนเล็กลง บางส่วนรวมกันและบางส่วนหายไป ที่ระดับลบ 270 เลเยอร์เข้าสู่สถานะเกือบสมบูรณ์ของความผิดปกติ แต่คำสั่งกลับมาเมื่ออุณหภูมิกลับมาที่ลบ 60 การเปลี่ยนแปลงของคำสั่งและความผิดปกติของอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอาจนำไปใช้ประโยชน์ในไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคตสำหรับการจัดเก็บหน่วยความจำ "เราประเมินว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานของ skyrmion อาจดีกว่าหน่วยความจำปัจจุบันในคอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้ในการวิจัยถึง 100 ถึง 1,000 เท่า" McCray กล่าว ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับไมโครอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบันมีสัดส่วนประมาณ 10% ของไฟฟ้าทั่วโลก และตัวเลขดังกล่าวอาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าภายในปี 2573 ต้องหาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงานมากกว่านี้ "เรามีวิธีดำเนินการก่อนที่ skyrmions จะหาทางเข้าสู่หน่วยความจำคอมพิวเตอร์ในอนาคตที่ใช้พลังงานต่ำ" นายพาทักกล่าว "อย่างไรก็ตาม วิธีคิดแบบใหม่ที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับไมโครอิเล็กทรอนิกส์คือกุญแจสู่อุปกรณ์รุ่นต่อไป"