ظرفيت حافظه‌ي رايانه را مي‌توان با استفاده از گرداب‌هاي مغناطيسي بسيار كوچكي كه اسكاي‌ميون skyrmion ناميده مي‌شوند افزايش داد. اين عقيده‌ي فيزيكدانان آمريكايي است كه با هل دادن حوزه‌هاي مغناطيسي از درون فاصله‌هاي باريك در لايه‌ا‌ي نازك از فلز فرومغناطيس حباب‌هاي اسكاير‌ميون منفرد در دماي اتاق ساخته‌اند- درست مانند حباب‌هايي كه مي‌توان با فوت كردن به حلقه‌اي پوشيده از صابون به وجود آورد.

باد كردن حباب‌ها: تولد يك اسكايرميون

اسكاير‌ميون‌ها نواحي ذره مانندي درون يك ميدان هستند كه نوك همه‌ي بردارهاي ميدان به سمت داخل يا خارج يك نقطه‌اند- چيزي شبيه به وضعيت خارهاي روي يك خارپشت. پيشنهاد اسكاير‌ميون‌ها ابتدا در دهه‌ي 1950 توسط فيزيكدان‌ انگليسي توني اسكايرم Tony Skyrme داده‌ شد. او دريافت كه با استفاده از آن‌ها مي‌توان خروج پروتون‌ها و نورون‌‌ها از ميداني كه واسطه‌ي نيروي هسته‌اي قوي است را توضيح داد. با وجود اينكه اسكاير‌ميون‌ها هرگز در واقعيت از فيزيك ذرات به دست نيامدند اما رياضيات مربوط به آن‌ها در حوزه‌هاي ديگري از فيزيك مورد استفاده قرار گرفته است.

نكته‌ي اصلي در مورد اسكاير‌ميون اين است كه به لحاظ توپولوژيكي پايدار است. اين يعني، در عين حال كه شكلش مي‌تواند تغيير كند، «پيچش» آن را نمي‌توان بدون حذف نقاط تكين سازنده‌اش از بين برد. اين شبيه رفتار نوار موبيوس است كه اگر بخواهيم به يك حلقه‌ي معمولي تبديلش كنيم با هيچ مقدار خم كردني ميسر نيست و حتماً بايد آن را ببريم.

حافظه‌اي كوچك اما پايدار

اين كميتي است كه مي‌تواند اسكاير‌ميون را يك گزينه‌ي ايده‌آل براي استفاده در حافظه‌ي رايانه كند. ديسك‌هاي سخت با كدبندي صفرها و يك‌ها با استفاده از جهت ممان‌هاي مغناطيسي اتمي در نواحي، يا حوزه‌هاي، كوچكي از سطح مواد فرومغناطيس كار مي‌كنند. اما روي ميزان كوچك كردن اين حوزه‌ها به طوري كه پايداري مغناطيسي برهم نخورد محدوديت وجود دارد. پايداري فوق العاده‌ي اسكاير ميون‌ها به اين معناست كه بالقوه مي‌توانند محدوده‌هاي بسيار كوچكتري را اشغال كنند و به جاي اندازه‌ي حدود 50 نانومتر كه بهترين ابزارهاي امروزي دارند، فقط چند نانومتر جا بگيرند. با توجه به جريان الكتريكي بسيار كمي كه براي عملكرد آن‌ها لازم است، انرژي كمتري هم مصرف خواهند كرد.

آكسل هافمن Axel Hoffman و همكارانش در آزمايشگاه ملي آرگون در ايلينويز، در آخرين تحقيق خود وسيله‌اي ساخته‌اند كه شامل لايه‌اي بسيار باريك از آلياژ كبالت-آهن- بور (يك فرومغناطيس) است كه بين لايه‌هايي از فلز تانتاليوم و اكسيد تانتاليوم قرار گرفته است. آن‌ها اين لايه‌ي چند قسمتي را به صورت سيمي به عرض 60 ميكرومتر درآوردند كه از حدود نيمه‌ي راه تا 3 ميكرومتر نازك ميشد.

به طور معمول، درون لايه‌اي نازك از ماده‌ي فرومغناطيس، ممان‌هاي مغناطيسي الكترون‌ها در صفحه‌ي آن لايه قرار دارند اما ساختار لايه‌اي اين وسيله ممان‌هاي مغناطيسي را بر صفحه عمود مي‌كند. پژوهشگران در اين روش با اعمال ميدان مغناطيسي «باريكه‌اي» دراز از نواحي با برآوردهاي مغناطش رو به بالا ايجاد مي‌كنند. باريكه با محدوده‌هايي داراي مغناطش مخالف هم در احاطه شده و سپس در امتداد سيم جرياني از چپ به راست برقرار مي‌شود.

اين جريان، بر نواحي مغناطيسي نيرو وارد كرده و آن‌ها را به سمت راست حركت مي‌دهد. اما از آنجايي كه جريان نمي‌تواند به خارج از سيم شارش يابد ناچار است به درون نازك‌شدگي نفوذ كند و بنابراين مولفه‌اي عمود بر حركت چپ به راستش ايجاد مي‌شود. اين امر لبه‌هاي باريكه را به سمت خارج هل مي‌دهد به طوري‌كه از آن قسمت نازك بيرون مي‌زند. بادكردگي ادامه مي‌يابد تا جايي كه سر هر باريكه شكل حباب به خود مي‌گيرد و پس از جدا شدن به حركتش به سمت راست ادامه مي‌دهد (شكل را ببينيد).

هافمن توضيح مي‌دهد كه «اين حباب‌ مثل حباب‌هاي صابون يا قطره‌اي از شير در حال چكه، جدا مي‌شود و دقيقاً ساختار توپولوژيكي يك اسكاير‌ميون را دارد».

مواد هر روزه

به گفته‌ي هافمن، مزيت مهم اين طرح نسبت به ساير راه‌هاي توليد اسكاير‌ميون استفاده از آلياژهاي فلزي ارتباطي و لايه‌هاي فلزي‌اي است كه از پيش در قطعات حافظه‌هاي تجاري وجود دارند. اين وسيله همچنين در دماي اتاق عمل مي‌كند بنابراين نيازي به تجهيزات سرمايشي گران قيمت نيست. او مي‌افزايد، علاوه بر اين، در حالي كه اسكاير‌ميون‌ها اغلب درون شبكه‌ها يافت مي‌شوند در اينجا مي‌توان به طور جداگانه به آن‌ها دسترسي داشت.

بر طبق اظهارات هافمن، براي اين اسكايرميون‌‌ها كاربردهاي زيادي مي‌توان متصور شد. يكي از آن‌ها مي‌تواند درگاه منطقي باشد. درگاه AND را مي‌توان بالقوه از دو سيم به هم متصل شده ساخت به طوري كه تنها وقتي خروجي بدهد كه اسكايرميون‌ها در هر دو سيم وجود داشته باشند. گرچه شايد مشخص‌ترين كاربرد آن، كدبندي داده‌ها با استفاده از وجود يا عدم وجود اسكاير‌ميون باشد. به طور خاص، «حافظه‌ي racetrack» كه شامل خواندن و نوشتن روي حوزه‌هاي متحرك مغناطيسي موجود بر يك سيم ثابت است، اين اشكال را دارد كه حوزه‌هاي نواري‌شكل به راحتي به خاطر نقايص سيم به هم مي‌ريزند. هافمن مي‌گويد، اسكاير‌ميون‌هاي نقطه‌اي بر خلاف مورد قبل مي‌توانند اين نقايص را دور بزنند. كيرستن فون برگمن Kirsten von Bergman از دانشگاه هامبورگ آلمان، كه تيم تحقيقاتي‌اش در 2013 گزارش توليد و نابودي اسكاير‌ميون‌ها را روي يك لايه‌ي نازك از پالاديوم و آهن داده بود، اين كار را تحسين كرده و آن را « گامي مهم در راستاي تكميل» ابزارهاي واقعي مي‌داند. اما توجه ما را به اين نكته هم جلب مي‌كند كه هنوز موانع مهمي باقي است. از جمله لزوم كنترل بهتر بر جاگذاري و حركت اسكاير‌ميون‌هاي تكي. برگمن مي‌افزايد، اندازه‌ هم مهم است. گروه آمريكايي اسكاي‌ميون‌هايي با قطر حدود 1 ميكرومتر ساخته است كه طبق تخمين او هنوز يك تا دو مرتبه بزرگتر از اندازه‌ي به درد بخور است.

هافمن ضمن پذيرش اين نقايص معتقد است كه رفع شدني هستند. او مي‌گويد گروه‌هاي تحقيقاتي ديگر توانسته‌اند اسكاير‌ميون‌هايي در دماي اتاق و با پهنايي به كوچكي 100 نانومتر بسازند (انرژي گرمايي بيشتر در دماهاي بالاتر شايد ممانعت از جداشدن اسكاي ‌ميون‌هاي كوچك را سخت‌تر كند). به گفته‌ي هافمن، كم كردن ده برابريِ اندازه‌ها «چندان دور از واقعيت نيست».

اين تحقيق در Science گزارش شده است.

منبع

Physicists blow magnetic bubbles