Учёные из МФТИ и их коллеги из Германии и
Нидерландов нашли способ значительно увеличить скорость работы
компьютеров: они предложили использовать так называемые Т-лучи,
терагерцовое излучение, которое может переключать ячейки компьютерной
памяти в тысячи раз быстрее, чем воздействие магнитного поля, говорится в
статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.
«Мы сделали важный шаг на пути к терагерцовой
электронике: показали качественно новый подход к контролю
намагниченности с помощью коротких импульсов терагерцового излучения.
Насколько нам известно, наша работа — первое применение подобного
возбуждения колебаний магнитных подсистем», — говорит соавтор
исследования Анатолий Звездин, руководитель Лаборатории физики магнитных
гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных
технологий МФТИ и сотрудник Института общей физики имени АМ.Прохорова,
лауреат Государственной премии СССР.
Быстрый рост объёма цифровых данных и сложности
вычислительных задач вынуждает создателей компьютеров непрерывно
увеличивать скорость вычислений, сообщается в пресс-релизе, поступившем в
редакцию Planet Today. Многие эксперты считают, что классические
компьютеры уже подходят к пределам роста быстродействия, поэтому учёные
по всему миру ищут принципиально новые вычислительные технологии. Одно
из «узких мест» современных вычислительных машин — память, на каждую
операцию записи и перезаписи одной магнитной ячейки нужно время.
Сократить время этого цикла очень сложно.
Себастиан Байерл (Sebastian Baierl) из Университета
Регенсбурга, Анатолий Звездин, Алексей Кимель из Университета Неймегена
(Нидерланды) и МИРЭА и их коллеги предложили использовать для
переключения памяти не магнитные поля, а импульсы терагерцового
излучения — так называют электромагнитное излучение в диапазоне между
инфракрасным и СВЧ-диапазоном с длиной волны около 0,1 миллиметра. Его
используют, например, в установках для сканирования в аэропортах: Т-лучи
не вредны для организма, но позволяют легко «увидеть» под одеждой
оружие и взрывчатку.
Учёные решили провести эксперимент со слабым
ферромагнетиком — ортоферритом тулия (TmFeO₃), чтобы проверить насколько
подходят Т-лучи на роль переключателя состояний «магнитных битов» в
этом материале. Магнитное поле в ферромагнетиках создаётся за счёт
определённой ориентации спинов — магнитных моментов атомов в
микрокристаллах (доменах). Чтобы поменять эту ориентацию, нужно внешнее
магнитное поле.
Однако эксперимент показал, что терагерцовое излучение
переводит ионы тулия в возбуждённое состояние и меняет магнитные
свойства и ионов железа, и ионов тулия, причём его воздействие почти в
10 раз сильнее внешнего магнитного поля. Таким образом, исследователи
получили очень быстрый и действенный метод «перемагничивания» — хорошую
«базу» для создания сверхбыстрой памяти.
На рисунке изображена
структура TmFeO₃ (слева); справа — переходы между энергетическими
состояниями и ориентирование спинов при воздействии терагерцового
импульса («переключение» битов).
По словам учёных, ортоферрит тулия — не единственный
материал, который можно «переключать» Т-лучами. Он достаточно удобен для
демонстрации, но сам предложенный способ контроля намагниченности можно
использовать во многих других магнитных материалах.
«В СССР ортоферриты
исследовала группа в МГУ, у нас был приоритет в этой области, в каком-то
смысле, эта работа — продолжение тех исследований», — отметил Анатолий Звездин.
