В ее основе — управление магнитным состоянием материалов с помощью специальных решеток наноразмерного масштаба. Она может открыть путь к созданию флеш-накопителей с большим объемом памяти. Однако пока исследователи продемонстрировали только физический принцип работы, отметили эксперты. Для создания реальных чипов предстоит решить ряд технических задач, в том числе связанных с миниатюризацией лазеров, энергопотреблением и сопряжением технологии с существующей электроникой.
Как вычислять и записывать информацию светом
Российские ученые разработали технологию, которая может стать основой для создания компактных и быстрых вычислительных систем нового типа. В ее основе — специальные микроструктуры, позволяющие с помощью лазера возбуждать спиновые волны — колебания магнитных моментов — длиной порядка сотен нанометров. Это в десятки раз меньше, чем удавалось получить ранее оптическими методами.
В работе приняли участие специалисты Российского квантового центра, Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Московского государственного педагогического университета и Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского.
— Информацию можно обрабатывать и передавать разными способами. Электронный наиболее распространен, но имеет ряд ограничений, например нагрев устройств и предел по дальнейшей миниатюризации. Среди альтернатив — передача сигнала с помощью спиновых волн, то есть колебаний магнитного состояния вещества. Есть основания полагать, что с их помощью вычислительные операции могут стать более надежными, экономичными и быстрыми, — рассказал «Известиям» соавтор проекта, руководитель научной группы Российского квантового центра Владимир Белотелов.
Он пояснил, что развитию технологии до сих пор препятствовал ограниченный размер фокусировки лазерного пучка — порядка нескольких микрон. Поэтому длина возникающей волны намагниченности была примерно такой же. При этом чем меньше длина волны, тем плотнее можно размещать логические элементы на чипе.
Ученые решили эту проблему, покрыв прозрачную магнитную пленку решеткой наноразмерного масштаба. Ее узор работает как шаблон и позволяет формировать спиновые волны длиной всего 0,3 микрометра.
— Раньше минимальный размер магнитного сигнала задавал световой луч. Теперь его определяет рисунок нанорешетки, который формирует нужный оптический паттерн. Чем мельче этот рисунок, тем короче волна и тем меньше может быть работающий с ней компонент. В эксперименте была получена спиновая волна длиной 0,3 мкм, а расчеты показывают, что ее можно уменьшить еще втрое, — уточнил Владимир Белотелов.
По его словам, одна из перспектив технологии связана с новыми способами хранения данных, поскольку спиновые волны позволяют использовать аналоговый способ записи. В отличие от традиционного цифрового принципа, при котором сигнал кодируется последовательностью «нулей» и «единиц», в таком подходе информация заложена в параметрах волнового сигнала. Это открывает возможности для более сложной и плотной записи данных.
— Такой способ интересен на фоне развития аналоговых вычислений. После десятилетий практически полной цифровизации исследователи вновь рассматривают подобные методы как более эффективные для решения отдельных классов задач. Например, в нейроморфных устройствах, где информация кодируется непрерывными сигналами, а не дискретными «нулями» и «единицами», — отметил он.
Еще одним преимуществом подобных систем может стать высокая скорость обработки данных, поскольку спиновые волны способны работать на более высоких частотах, добавил ученый.
Как объединить электронные и фотонные технологии
— Предложенный подход открывает новые возможности для управления магнонами — магнитными волнами — за счет дизайна рисунка используемой наноструктуры. Исследование уникально по сложности, поскольку требует высокоточного контроля большого количества физических процессов и параметров в ходе экспериментов, — отметил доцент кафедры электроники, квантовой физики и инфокоммуникационных систем Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева — КАИ Максим Смирнов.
По его мнению, разработка может способствовать созданию принципиально новых устройств для хранения и обработки данных. На них можно будет записывать терабайты информации в аналоговом виде. При решении вопроса с более компактным подводом управляющих световых импульсов, например с помощью оптоволоконных или нанофотонных систем, технология может найти применение в миниатюрных коммерческих устройствах.
— В работе ученые с помощью света возбудили спиновые волны длиной 0,3 мкм — в разы меньше, чем удавалось получить ранее оптическими методами. Это значимое достижение, но оно носит закономерный характер, поскольку исследования в этом направлении ведутся уже более полувека. Основы были заложены в трудах академика Льва Питаевского в 1960-х годах, — отметила доктор физико-математических наук, главный редактор журнала «Фотоника», профессор Московского авиационного института и Московского государственного университета геодезии и картографии Наталья Истомина.
Сейчас в мире происходит смена идеологии — переход от электронно-ориентированных к фотонно-ориентированным системам, пояснила она. Для этого необходимы, в частности, элементы сопряжения. Ведущие разработчики и производители микроэлектроники в мире уже двигаются в этом направлении, в том числе и в России.
По словам эксперта, при внедрении подобных устройств многое в их конструкции должно измениться. Например, уже существуют средства для быстрой передачи информации по оптоволокну, однако их использование упирается в проблему сопряжения с электронной компонентной базой. Сейчас для этих целей создаются переключатели. Представленная разработка может найти применение и в этом направлении.
— В научном плане получен значимый и в определенной степени прорывной результат. При этом правильнее говорить о демонстрации нового физического принципа, тогда как создание памяти и процессоров на его основе станет следующим этапом исследований, — отметил ученый Российского квантового проекта, ассистент кафедры физтех-школы физики и исследований имени Ландау Московского физико-технического института Дмитрий Чермошенцев.
В перспективе ученым предстоит уменьшить длину волн до расчетных 100 нм, снизить затухание и объединить процессы генерации и считывания сигнала на одном чипе. Для практического применения также важно оценить энергозатраты и продемонстрировать устойчивое выполнение отдельных операций.
По его мнению, предложенный подход может стать основой для элементов сверхплотной магнитной памяти, если удастся связать возбуждение спиновых волн с надежным переключением устойчивых магнитных состояний. Кроме того, разработка может найти применение при создании магнонных фильтров — компактных устройств для очистки радиосигнала.