Ученым из МФТИ и их коллегам из Германии и Нидерландов удалось добиться переключения намагниченности материала на предельно коротких временах и с минимальными энергетическими затратами. Другими словами, исследователи разработали прототип энергоэффективных запоминающих устройств. Статья опубликована в журнале Nature.

В области стремительно развивающихся информационных технологий есть спрос на устройства, контролируемые квантовыми механизмами без энергетических потерь. Ведь более 3% мирового электричества идет на обслуживание центров хранения данных — и цифра продолжает расти. Фундаментальные законы физики совсем не запрещают существование технологии быстрого и энергетически эффективного хранения данных — а ведь именно чтение и запись информации является «бутылочным горлышком» в развитии информационных технологий.

Наиболее надежной реализацией хранения данных является кодирование двоичных «0» и «1» за счет определенной ориентации микроскопических магнитов — спинов — в магнитных материалах. Такая схема реализована, например, в жестких дисках. При этом изменение, или «перемагничивание», бита обычно осуществляется с помощью импульсного магнитного поля. Однако такой способ весьма неэффективен в смысле потребления энергии и времени переключения состояний.

Еще в 2016 году Себастиан Байерл (Sebastian Baierl) из Университета Регенсбурга, Анатолий Звездин (МФТИ), Алексей Кимель из Университета Неймегена (Нидерланды) и МИРЭА и их коллеги предложили способ быстрого переключения спинов в ортоферрите туллия (TmFeO3) с помощью воздействия Т-лучей. Такой способ «перемагничивания» оказался более быстрым и эффективным, чем переключение спинов импульсным магнитным полем, за счет особой связи между спиновыми состояниями и электрической составляющей Т-импульса.

«Идея заключалась в том, чтобы использовать обнаруженный ранее механизм переключения спинов как инструмент для эффективного вывода спинов из положения равновесия и исследования фундаментальных пределов по скорости и энергозатратам записи информации. В работе мы исследовали характерные черты (fingerprints) механизма с предельно возможными скоростями и минимально возможным рассеянием энергии», — говорит Алексей Кимель, соавтор работы, профессор Университета Неймегена (Нидерланды) и МИРЭА.

В данной работе спиновые состояния подвергались воздействию специально настроенных Т-импульсов. Энергия фотонов в них порядка величины энергетического барьера между спиновыми состояниями, а длительность — порядка пикосекунд, что соответствует одному колебательному циклу света. Необходимой интенсивности удалось достичь за счет специально разработанной структуры, состоящей из нанооптических золотых микрометровых антенн, расположенных поверх образца — ортоферрита туллия.

В результате ученые обнаружили в спектре характерные черты того, что спины удалось переключить полностью и с минимальными (на уровне термодинамических пределов) потерями. Впервые спины переключились Т-лучами в течение всего лишь 3 пикосекунд и практически без потерь энергии. Такое достижение демонстрирует огромный потенциал магнетизма для решения основных проблем информационных технологий. Результаты эксперимента совпали с проведенным исследователями теоретическим моделированием.

«Редкоземельные материалы, на которых было сделано это открытие, переживают сейчас второе рождение. Их базисные свойства подробно изучались полвека назад. Много сделали в этом отношении российские физики — выпускники МГУ и МФТИ. Это очень хороший пример того, как фундаментальные исследования через десятилетия находят свой путь в практику», — рассказал Анатолий Звездин, профессор, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.

Основным результатом работы нескольких команд стала структура, которая является перспективным прототипом будущих запоминающих устройств. Подобные устройства будут иметь компактный размер и возможность передавать данные за пикосекунды, и при этом за счет усиления антеннами такие накопители будут совместимы с чиповыми источниками Т-лучей.