Российские учёные приблизились к созданию магнонных устройств обработки информации
Саратовские физики совместно с американскими коллегами поняли, как создать эффективные «провода» для устройств обработки информации нового поколения, основанных на токе не электронов, а магнитных моментов — спинов, присущих магнитным материалам.
Экспериментаторы из лаборатории магнитоэлектроники СВЧ Саратовского филиала Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН рядом с установкой для исследования спиновых волн / ведущий научный сотрудник Юрий Хивинцев
Им удалось управлять эффективностью передачи сигнала при помощи геометрических параметров магнитных структур.
В сфере традиционных электронных устройств существует проблема выделения тепла за счет электрических токов. Это мешает повысить их производительность простым увеличением числа и плотности компонентов, так как устройства будут перегреваться или плавиться.
Исследователи считают возможным использование принципов, которые позволили бы не использовать электрические токи, чтобы сделать устройства более энергоэффективными.
В этом направлении развивается магноника. В рамках концепции информацию переносят так называемые магноны — квазичастицы спиновых волн. При отклонении спина от равновесного положения магнон начинает совершать круговые колебательные движения, меняя свое направление вокруг равновесного положения. По цепочке это происходит со спинами по всему материалу, и формируется спиновая волна, которая способна переносить энергию и информацию.
Базовыми блоками для построения магнонных устройств являются волноводы для спиновых волн и их сочленения. Важно, чтобы прохождение спиновых волн через эти блоки сопровождалось минимальными потерями. Наиболее популярны для подобных экспериментов пленки железоиттриевого граната, которые демонстрируют рекордно слабое затухание спиновых волн среди известных магнитных материалов.
Еще одной задачей исследований в направлении магноники является поиск путей миниатюризации таких устройств. Им нужно понять, как геометрические факторы, связанные с миниатюризацией, влияют на распространение спиновых волн.
Физики из ИРЭ имени В.А. Котельникова РАН и Саратовского государственного университета совместно с группой профессора Александра Хитуна из Университета Калифорнии в Риверсайде провели эксперименты на структурах разных размеров — от сотни до десяти микрометров — на основе пленок ЖИГ с помощью классических технологий микроэлектроники. Для возбуждения и приема спиновых волн они использовали микроскопические антенны, изготовленные непосредственно на волноводах. Ученые посылали СВЧ-сигнал на одну из антенн, принимали его на другой и оценивали эффективность возбуждения спиновых волн и их прохождения между различными участками волноводных структур.
Так удалось получить ряд фундаментальных принципов, связывающих эффективность передачи сигнала с размерами и формой микроволновода и выбором места расположения антенн. Оказалось, что уменьшение размеров волноводов может неоднозначным образом влиять на передачу сигналов: как негативно, увеличивая затухание спиновых волн, так и позитивно, способствуя более эффективной передаче сигнала в крестовых структурах. Форма сочленений волноводов также влияет на передачу сигналов.
Ученые использовали пленки монокристаллического ЖИГ толщиной порядка одного микрометра. Им удалось изготовить и исследовать структуры с минимальными размерами до десяти микрометров. Они отмечают, что эти цифры не выглядят впечатляющими по сравнению с современной электроникой, где речь идет уже о нанометрах, однако для магноники они представляют значительный шаг вперед.
Авторы работы отмечают, что их технологии уже сейчас могут служить существенной миниатюризации классических спин-волновых устройств обработки СВЧ-сигналов и, в перспективе, их можно интегрировать в базовые технологии спинтроники по конвертации спинового и электрического токов.
Важно и то, что открытые принципы закладывают физико-технологические основы к построению нового класса магнонных устройств для вычислительных систем: голографической памяти, распознавания магнитных образов, специального рода вычислений на основе алгоритмов, по эффективности не уступающих квантовым.
Исследование опубликовано в Journal of Magnetism and Magnetic Materials и Journal of Applied Physics.
В 2016 году коллектив голландских, немецких и российских ученых из Института общей физики им. Прохорова РАН, московского технологического университета (МИРЭА) и МФТИ разработал способ сверхбыстрого управления намагниченностью материала. Вместо видимого и инфракрасного света они задействовали электромагнитные импульсы терагерцевого излучения. Ученые предлагают использовать для перезаписи информации в компьютерной памяти будущего не лазерные импульсы, а Т-лучи.
В 2021 году международная исследовательская группа под руководством профессора Павлоса Лагудакиса из лаборатории гибридной фотоники Сколтеха создала энергоэффективный оптический переключатель, который не требует охлаждения и демонстрирует скорость около 1 триллиона операций в секунду, что примерно в 100–1000 раз быстрее современных высококачественных коммерческих транзисторов. Предположительно, он срабатывает от энергии одного фотона при комнатной температуре.
