Т-лучи «разгонят» память компьютеров в тысячу раз

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.