Физики из Московского физико-технического института (МФТИ) и Российского квантового центра разработали логический элемент, основанный на взаимодействии спиновых волн, которые возбуждались лазерными импульсами. Представленный подход существенно отличается как от классических транзисторов и диодов, так и от существующих спин-волновых логических устройств под управлением микрополосковых антенн, сообщили во вторник в Отделе координации поисковых исследований МФТИ.
Эффективная обработка информации и передача данных очень важны для современного общества. При этом постоянно возрастающий объем информации приводит к значительным затратам на энергопотребление. Разработчики рассматривают разные способы решения этой проблемы. Одним из физических явлений, которое может быть использовано как основа для создания новых логических устройств, являются коллективные спиновые возбуждения — гармонические колебания ориентаций спинов, распространяющиеся внутри магнитных материалов. Спин-волновые логические устройства уже существуют. Есть транзисторы, затворы, диоды и различные логические элементы. Все они управляются с применением микрополосковых антенн, которые возбуждают спиновые волны при помощи микроволнового поля. Однако подобные решения сегодня существенно ограничены в плане возбуждения высокочастотных спиновых волн и миниатюризации самих устройств.
«Представленный элемент существенно отличается как от транзисторов в классических полупроводниковых компьютерах, так и от неоптических спин-волновых элементов, хотя и выполняет те же функции — совершает логические операции», — приводятся в сообщении слова руководителя лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ Александра Чернова.
Ученый отметил, что для создания быстрого, миниатюрного и экономичного компьютера нужно решить ряд проблем. В частности, проблему энергопотребления. современные полупроводниковые компьютеры работают на ГГц-частоте, из-за электрических токов компьютеры сильно нагреваются и потребляют много энергии.
«Потенциальной альтернативой могли бы стать высокочастотные спиновые волны, но у спин-волновых устройств на основе микрополосковых антенн проблемы с их возбуждением из-за разности импедансов (сопротивлений). В нашей работе мы используем оптическое возбуждение, которое лишено этой проблемы. Мы демонстрируем первый сверхбыстрый оптомагнонный логический элемент — с ударением на «опто», — пояснил Чернов.
Новый логический элемент
Главной целью работы ученых Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и РКЦ было создание логического элемента на основе интерференции спиновых волн. Для этого ученые взяли оптически прозрачный магнитный материал — пленку железо-иттриевого граната, в которой возбуждали спиновые волны сверхбыстрыми фемтосекундными лазерными импульсами. Они позволяют возбуждать спиновые волны без нагрева и потери дополнительной энергии в желаемой точке на образце.
Оказалось, что, управляя поляризацией излучения и изменяя условия для интерференции, можно добиться работы логических элементов, где входной информацией служат параметры лазерных импульсов (поляризация), а выходной — амплитуда спиновой волны в заданной точке пространства.
Также удалось построить успешную модель для описания эксперимента, которая подтвердила полученные результаты и позволила определить подходы для создания других типов логических элементов на основе спиновых волн.
Разработанный логический элемент получился полностью оптическим и динамическим. В нем можно менять входные параметры, такие как форма и количество пучков, что позволяет создавать различные типы логических устройств в одном месте, в то время как микрополосковые антенны размещаются на поверхности и их уже невозможно сдвинуть.
«По всем известному закону Мура (эмпириическое наблюдение, согласно которому численность транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, умножается каждые 24 месяца в два раза).уже довольно скоро полупроводниковая технология достигнет своего предела. Развитие оптомагнонной логики может сделать ее основной альтернативой для обработки и передачи информации», — отмечается в сообщении.
