Физики из Московского физико-технического института и Российского квантового центра разработали логический элемент, основанный на взаимодействии спиновых волн, которые возбуждались лазерными импульсами, сообщает пресс-служба МФТИ. Представленный подход существенно отличается от классических методов, основанных на использовании транзисторов и диодов.
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). В перспективе они могут позволить изменить концепцию обработки данных и в существенной степени уменьшить тепловые потери.
Спин-волновые логические устройства уже существуют: 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.
«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). В нашей работе мы используем оптическое возбуждение, которое лишено этой проблемы. Мы демонстрируем первый сверхбыстрый ОПТОмагнонный логический элемент — с ударением на "ОПТО"», — говорит руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ Александр Чернов.
Главной целью работы ученых Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и РКЦ было создание логического элемента на основе интерференции спиновых волн. Для этого исследователи 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. Но мало получить нужный результат в эксперименте — необходимо сделать его численное описание.
«Я делал код симуляции, который решительно отказывался работать! Хотя эффект, казалось, уже был продемонстрирован, количественное описание никак не поддавалось, — рассказывает аспирант МФТИ Антон Колосветов. — Я долго не сдавался и в итоге переписал код на другой платформе, которая позволила наглядно продемонстрировать и изучить эффект». В конечном итоге удалось построить успешную модель для описания эксперимента, которая подтвердила экспериментально полученные результаты и позволила определить подходы для создания других типов логических элементов на основе спиновых волн.
Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
