Новые квантовые магниты переключают состояния триллионы раз в секунду
Класс устройств энергонезависимой памяти, называемых MRAM, основанных на квантовых магнитных материалах, может предложить тысячекратную производительность по сравнению с современными устройствами памяти. Ранее было продемонстрировано, что материалы, известные как антиферромагнетики, сохраняют стабильные состояния памяти, но их было трудно считывать. Новое исследование открывает эффективный и невероятно быстрый способ чтения состояний памяти.
Вероятно, вы можете моргать примерно четыре раза в секунду. Можно сказать, что такая частота моргания составляет 4 герца (цикла в секунду). Представьте себе попытку моргнуть 1 миллиард раз в секунду или на частоте 1 гигагерц — это было бы физически невозможно для человека.
Но это текущий порядок, в котором современные высокопроизводительные цифровые устройства, такие как магнитная память, меняют свое состояние по мере выполнения операций. И многие исследователи хотят отодвинуть границу в тысячу раз дальше, в режим триллионов раз в секунду, или терагерц.
Препятствием для реализации более быстрых устройств памяти могут быть используемые материалы. Современные высокоскоростные чипы MRAM, которые еще не настолько распространены, чтобы появиться в домашнем компьютере, используют типичные магнитные или ферромагнитные материалы.
Они считываются с использованием метода, называемого туннельным магнитосопротивлением. Он требует, чтобы магнитные составляющие ферромагнитного материала были выстроены параллельно. Однако такое расположение создает сильное магнитное поле, которое ограничивает скорость чтения или записи памяти.
«Мы совершили экспериментальный прорыв, преодолевший это ограничение, и все благодаря другому типу материала — антиферромагнетикам», — говорит профессор Сатору Накацудзи с физического факультета Токийского университета.
«Антиферромагнетики во многом отличаются от обычных магнитов, в частности, мы можем расположить их иначе, чем параллельными линиями. Это означает, что мы можем свести на нет магнитное поле, возникающее в результате параллельного расположения. Считается, что намагничивание ферромагнетиков необходимо для туннелирования магнитосопротивления для чтения из памяти. Поразительно, но мы обнаружили, что это также возможно для особого класса антиферромагнетиков без намагниченности, и, надеюсь, это может работать на очень высоких скоростях».
Ученые считают, что скорости переключения в терагерцовом диапазоне достижимы и что это возможно и при комнатной температуре, тогда как предыдущие попытки требовали гораздо более низких температур и не давали таких многообещающих результатов.
Однако, чтобы улучшить свою идею, команде необходимо усовершенствовать устройства, и ключевым моментом является улучшение способа их изготовления.
«Хотя атомарные составляющие наших материалов довольно знакомы — марганец, магний, олово, кислород и так далее — способ, которым мы объединяем их, чтобы сформировать полезный компонент памяти, является новым и незнакомым», — говорят ученые.
«Мы выращиваем кристаллы в вакууме невероятно тонкими слоями, используя два процесса, называемые молекулярно-лучевой эпитаксией и магнетронным распылением. Чем выше вакуум, тем чище образцы мы можем выращивать, а также производить более эффективные устройства».
Антиферромагнитные запоминающие устройства используют квантовое явление, известное как запутанность или взаимодействие на расстоянии. Но, несмотря на это, исследование не имеет прямого отношения к набирающей популярность области квантовых вычислений. Однако ученые предполагают, что такие разработки могут быть полезны или даже необходимы для создания моста между современными электронными устройствами и новой областью квантовых компьютеров.