Создан российский логический элемент, основанный на спиновых волнах
Физики из МФТИ и Российского квантового центра разработали логический элемент, основанный на взаимодействии спиновых волн, которые возбуждались лазерными импульсами. Представленный подход существенно отличается от классических методов, основаных на использовании транзисторов и диодов.
Александр Чернов, заведующий лабораторией физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ, говорит: «Представленный элемент существенно отличается как от транзисторов в классических полупроводниковых компьютерах, так и от бесспиновых оптических элементов, хотя и выполняет те же функции — выполняет логические операции.
Эффективная обработка информации и передача данных очень важны для современного общества. В то же время постоянно увеличивающийся объем информации приводит к значительным энергозатратам. Разработчики оценивают различные способы решения этой проблемы. Одним из физических явлений, которые могут быть положены в основу создания новых логических устройств, являются коллективные спиновые возбуждения (гармонические колебания ориентаций спинов, распространяющиеся внутри магнетиков). В будущем они могут позволить изменить концепцию обработки данных и значительно снизить тепловые потери.
Уже существуют устройства спин-волновой логики. Есть транзисторы, вентили, диоды и различные логические вентили. Все они контролируются с помощью микрополосковых антенн, возбуждающих спиновые волны с помощью микроволнового поля. Однако такие решения сегодня существенно ограничены с точки зрения возбуждения высокочастотных спиновых волн и миниатюризации самих устройств.
Александр Чернов поясняет: «Если мы хотим создать быстрый, миниатюрный и дешевый компьютер, нам нужно решить ряд задач. Наши современные твердотельные компьютеры работают на частотах ГГц, из-за электрических токов компьютеры нагреваются и потребляют много энергии. Потенциальной альтернативой могут быть высокочастотные спиновые волны, но спин-волновые устройства на основе микрополосковых антенн имеют проблемы с их возбуждением из-за разницы импедансов (сопротивлений). В нашей работе мы используем оптическое возбуждение, лишенное этой проблемы. Мы демонстрируем первый сверхбыстрый логический элемент OPTOmagnon, уделяя особое внимание OPTO». Работа опубликована в журнале Physical Review Applied. Основное направление работы ученых Центра фотоники и двумерных материалов института физико-технических наук Москвы и РКЦ заключалась в создании логического элемента на основе интерференции спиновых волн.
Для этого ученые взяли оптически прозрачный магнитный материал — пленку железо-иттриевого граната, в которой спиновые волны возбуждались сверхбыстрыми фемтосекундными лазерными импульсами. Они позволяют возбуждать спиновые волны без нагрева и дополнительных потерь энергии в нужной точке образца.
Оказалось, что, управляя поляризацией излучения и изменяя условия интерференции, можно добиться работы логических элементов, где входной информацией являются параметры лазерных импульсов (поляризация), а выходной — амплитуда l спиновой волны в данной точке пространства.
Но мало получить в эксперименте желаемый результат, необходимо произвести его численное описание.
«Я создавал код моделирования, который абсолютно отказывался работать! Хотя эффект вроде бы уже был продемонстрирован, количественно описать его было невозможно, — говорит Антон Колосветов, аспирант Московского физико-технического института. — Я долго не сдавался и, наконец, переписал код на другой платформе, что позволило мне наглядно продемонстрировать и изучить эффект».
В итоге удалось построить успешную модель для описания эксперимента, которая подтвердила экспериментальные результаты и позволила определить подходы к созданию других типов логических элементов на основе спиновых волн.
Разработанный логический элемент получился полностью оптическим и динамическим. Он позволяет изменять входные параметры, такие как форма и количество лучей, что позволяет создавать различные типы логических устройств в одном месте, при этом микрополосковые антенны размещаются на поверхности и не могут быть перемещены.
Согласно всем известному закону Мура, полупроводниковая технология скоро достигнет своего предела. Развитие оптомагнонной логики может сделать ее основной альтернативой для обработки и передачи информации.
