约翰内斯古登堡大学美因茨分校(JGU)研究人员成功地开发了一种非传统计算概念的关键组成部分。这种元件采用了与正在研究磁结构相同的磁结构，这种磁结构与将电子数据存储在称为磁道的移位寄存器上有关。

在这项研究中，研究人员研究了所谓的skyrmions（斯格明子），这是一种类似磁涡旋的结构，作为数据存储的潜在比特单位。然而，新方法与概率计算特别相关。这是电子数据处理的另一种概念，其中信息以概率的形式传输，而不是传统的二进制形式1和0。

例如，数字2/3可以表示为一个由1位和0位组成的长序列，其中2/3是1,1/3是0。该方法缺少的关键元素是一个功能位重组器，即一种不改变序列中1和0的总数而随机重新排列数字序列的装置。这正是skyrmions的目标，这项研究结果已经发表在《自然纳米技术》上。研究人员使用薄磁性金属薄膜进行研究，这些是在美因茨在一个特殊的显微镜下检查，使磁性排列的金属薄膜可见。薄膜具有与薄膜平面垂直排列磁化的特殊特性，这使得磁性天空粒子的稳定成为可能。

重组器基本工作原理是一个skyrmion blender：输入一个特定的初始序列，结果是一个随机重组的输出状态序列。图片：Andreas Donges, University of Konstanz

Skyrmions基本上可以被想象成小的磁涡旋，类似于毛旋。这些结构表现出一种所谓的拓扑稳定，可以防止它们过于容易地坍塌——就像头发螺旋不容易被拉直一样。正是这种特性使得skyrmions在技术应用方面非常有前途，比如在这个特殊的例子中，信息存储。其优点是增加的稳定性降低了意外数据丢失的概率，并确保了比特的总体数量得到维护。

数据序列组织的重组器

重新“重组器”接收固定数量的输入信号，如1和0，并将它们混合在一起，创建一个具有相同总数的1和0位数字的序列，但顺序是随机重新排列的。第一个目标是将skyrmion数据序列传输到设备上，这相对容易实现，因为skyrmion可以在电流的帮助下轻松移动。

然而，参与该项目的研究人员现在第一次成功地在重组器中实现了热skyrmion扩散，从而使它们的精确运动完全不可预测。反过来，正是这种不可预测性使得随机重新排列比特序列成为可能，同时又不会丢失任何比特。这个新开发组件是以前缺少的一块拼图，现在使概率计算成为一个可行的选择。

成功的跨学科协作

有三个方面促成了成功，首先能够制造出一种材料，在这种材料中，skyrmion只能对热刺激做出反应。其次发现我们可以把天王星想象成一种粒子，其运动方式类似于液体中的花粉。最终能够证明重组器原理可以应用于实验系统，并用于概率计算。这项研究是在多个研究所的合作下进行，我很高兴能够为这个项目做出贡献。非常有趣的是，实验能够证明拓扑skyrmions不仅是研究自旋电子学相关问题的合适系统，而且是研究统计物理的合适系统。多亏了美因茨优秀研究生院，我们能够把不同的物理领域聚集到一起，这些领域目前通常都是各自独立运作，但很明显，这可以从合作中受益。

JGU物理研究所教授，美因茨（MAINZ）卓越材料科学研究生院院长MathiasKläui说：我特别期待未来与美因茨大学的理论物理团队在自旋结构领域的合作将展示我们的新TopDyn - 动力学和拓扑学中心。研究中心指导委员会成员、JGU物理研究所埃米·诺特(Emmy Noether)研究小组TWIST的负责人卡琳·埃弗舍尔-西特说：从这项研究工作中我们可以看到，自旋电子学领域在算法智能方面提供了有趣的新硬件可能性，这是最近成立的JGU新兴算法智能中心正在研究的一个新兴现象。