В течение долгого времени в мире информационных технологий существовало одно надежное практическое правило: количество транзисторов в микропроцессоре удваивается примерно каждые два года. В результате прирост производительности предоставил нам цифровые возможности, которые мы сейчас воспринимаем как должное, от высокоскоростного Интернета до смартфонов.
Но по мере того, как проводники на микросхеме становятся все более минутными, мы начинаем сталкиваться с проблемами, как доктор. Себастьян Винц из Института физики ионных пучков и исследования материалов HZDR объясняет: «Электроны, которые проходят через наши современные микропроцессоры, нагревают чип из-за электрического сопротивления. После определенного момента чипы просто выходят из строя, потому что тепло больше не может уходить."Это также предотвращает дальнейшее увеличение скорости компонентов.
Вот почему физик, который в настоящее время также работает в Институте Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии, видит другое будущее для носителей информации. Вместо электрических токов Винц и его коллеги используют особое свойство электронов, называемое «спином». Крошечные частицы ведут себя так, как будто они постоянно вращаются вокруг своей оси, создавая магнитный момент.
В некоторых магнитных материалах, таких как железо или никель, спины обычно параллельны друг другу. Если ориентация этих спинов изменяется в одном месте, это нарушение распространяется на соседние частицы, вызывая спиновую волну, которую можно использовать для кодирования и распространения информации. «В этом сценарии электроны остаются там, где они есть», – говорит Винц, описывая свое преимущество. "Они почти не выделяют тепла, а это значит, что спиновые компоненты могут потребовать гораздо меньше энергии."
Как мы можем контролировать волну?
Однако до сих пор возникли две фундаментальные проблемы, затрудняющие использование спиновых волн: длины волн, которые могут быть сгенерированы, недостаточно короткие для нанометровых структур на чипах, и нет способа контролировать волны.
Себастьян Винц и его коллеги теперь смогли найти решения обеих проблем. «В отличие от искусственно сделанных антенн, которые обычно используются для возбуждения волн, теперь мы используем антенны, которые естественным образом формируются внутри материала», – сказал первый автор исследования доктор. Фолькер Слука объясняет. «С этой целью мы изготовили микроэлементы, состоящие из двух ферромагнитных дисков, которые связаны антиферромагнитно через рутениевую прокладку. Кроме того, мы выбрали материал дисков так, чтобы спины предпочитали выравниваться вдоль определенной оси в пространстве, что приводит к желаемому магнитному узору."
Внутри двух слоев это создает области с разной намагниченностью, разделенные так называемой доменной стенкой.
Затем ученые подвергли слои воздействию магнитных полей, чередующихся с частотой один гигагерц или выше. С помощью рентгеновского микроскопа Института интеллектуальных систем им. Макса Планка в Штутгарте, который работает в Центре им. Гельмгольца в Берлине, они смогли наблюдать, как спиновые волны с параллельными волновыми фронтами распространяются в направлении, перпендикулярном доменной стенке. «В предыдущих экспериментах рябь волны была похожа на ту, которую вы получаете, когда камешек ударяется о поверхность воды», – сообщает Слука. "Это не оптимально, потому что колебания быстро затухают, поскольку волна распространяется во всех направлениях.
Чтобы оставаться в той же аналогии, волны теперь выглядят так, как если бы они были созданы длинным стержнем, движущимся вперед и назад в воде."
Как показали рентгеновские изображения, эти спиновые волны могут распространяться на несколько микрометров на длинах волн всего около 100 нанометров без какой-либо значительной потери сигнала – необходимое условие для их использования в современных информационных технологиях. Более того, физики обнаружили возможный способ управления этим новым носителем информации, установив частоту стимуляции ниже половины гигагерца. Таким образом, спиновые волны оставались захваченными в доменной стенке: «В этом сценарии волны могли даже двигаться по кривой», – говорит Фолькер Слука, добавляя: «Тем не менее мы все еще могли обнаруживать сигналы.«Своими результатами исследователи заложили важную основу для дальнейшего развития схем на основе спиновых волн.
В конечном итоге это может способствовать созданию совершенно новой конструкции микропроцессоров, прогнозирует Себастьян Винц: «Используя магнитные поля, мы можем относительно легко перемещать доменные стенки. Это означает, что микросхемы, работающие со спин-волнами, не обязательно нуждаются в предопределенной архитектуре, но позже их можно изменить и адаптировать для выполнения новых задач."