Ученые разработали новую концепцию спин-волнового логического элемента

Изображение: (cc) Lesless
Лабораторный корпус МФТИ
Лабораторный корпус МФТИ
Лабораторный корпус МФТИ

Логический элемент, работающий на взаимодействии спиновых волн, возбуждаемых лазерными импульсами, разработала команда ученых МФТИ и Российского квантового центра (РКЦ), 22 марта сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результаты своей работы исследователи представили в статье «Концепция работы оптомагнитной логики», опубликованной в журнале Physical Review Applied.

Руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ Александр Чернов отметил особенности нового элемента:

«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».

Резко возросший в настоящее время поток информации, ее передача и обработка требуют огромных затрат электроэнергии. Специалисты ищут различные способы для решения этой проблемы, в числе которых для создания новых логических устройств рассматривается такое физическое явление, как коллективные спиновые возбуждения (гармонические колебания ориентаций спинов, распространяющиеся внутри магнитных материалов).

Использование логических устройств, работающих на этом принципе могло бы существенно уменьшить тепловые потери, сократив энергопотребление. Такие спин-волновые логические устройства уже существуют. Созданы транзисторы, затворы, диоды и другие различные логические устройства.

Управление такими логическими элементами осуществляется микрополосковыми антеннами, возбуждающими спиновые волны с помощью микроволнового поля. Однако их размеры слишком велики, а кроме того, они не могут обеспечить возбуждение высокочастотных спиновых волн.

«Если мы хотим создать быстрый, миниатюрный и экономичный компьютер, то нужно решить ряд проблем. Наши 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)», — пояснил Александр Чернов.

Авторы новой концепции использовали для создания спин-волнового логического элемента оптическое возбуждение, которое этой проблемы лишено. Они создали и исследовали первый сверхбыстрый оптомагнонный логический элемент на основе интерференции спиновых волн.

Ученые использовали для его создания оптически прозрачный магнитный материал, представляющий собой пленку железо-иттриевого граната. В ней они сверхбыстрыми фемтосекундными лазерными импульсами возбуждали спиновые волны. При этом не происходило нагрева и потери дополнительной энергии.

Управление логическим элементом осуществлялось с помощью поляризации излучения и изменения условий для интерференции. Здесь входная информация задавалась поляризацией лазерных импульсов, а выходной служила амплитуда спиновой волны в заданной точке пространства.

Аспирант МФТИ Антон Колосветов выполнил численное моделирование эксперимента. «Я делал код симуляции, который решительно отказывался работать! Хотя эффект, казалось, уже был продемонстрирован, количественное описание никак не поддавалось, — рассказывает Антон. — Я долго не сдавался и в итоге переписал код на другой платформе, которая позволила наглядно продемонстрировать и изучить эффект».

Модель подтвердила экспериментально полученные результаты, а также позволила выявить подходы для создания других типов логических элементов на основе спиновых волн.

Новый логический элемент является полностью оптическим и динамическим. Меняя входные параметры, такие как форма и количество пучков импульсов, можно на одном и том же физическом устройстве создавать различные типы логических устройств, тогда как микрополосковые антенны предыдущих моделей спин-волновых логических устройств механически закреплены.

Технологии миниатюризации полупроводниковых приборов и повышения их производительности скоро достигнут своего физического предела. Эстафету может подхватить оптомагнонная логика, считают авторы новой концепции.