Как заставить электронику работать в 1000 раз быстрее? Физики ударили лазером по забытым магнитам и получили сверхбыструю память

Материалы без заметного внешнего магнитного поля долго почти не интересовали прикладную электронику. Сейчас ситуация меняется. Японско-германский консорциум запускает трехлетний проект по изучению антиферромагнетиков, особого класса магнитных веществ, который в перспективе может привести к носителям информации и логическим элементам, работающим примерно в 1000 раз быстрее нынешних ферромагнитных решений.

Антиферромагнетики часто называют невидимыми магнитами. Причина проста: снаружи такие вещества почти не дают магнитного поля, хотя внутри сохраняют строгий порядок. На атомном уровне соседние магнитные моменты направлены в разные стороны и поэтому взаимно гасят друг друга. У ферромагнетиков картина другая: спины в значительной мере смотрят в одном направлении, поэтому такой материал легко обнаружить и использовать в технике. В антиферромагнитной среде внутреннее упорядочение сохраняется, но наружу почти не проявляется.

Именно такая скрытая структура десятилетиями мешала практической работе. Исследователям было трудно надежно менять состояние вещества, считывать результат и повторять нужный режим без сбоев. По этой причине прикладная электроника в основном опиралась на ферромагнитные системы, с которыми проще работать. Интерес к антиферромагнетикам вырос лишь в последние годы, когда стало ясно, что подобные среды могут подойти для сверхбыстрой обработки информации и снижения энергозатрат цифровой инфраструктуры.

В проекте участвуют исследователи из Технического университета Мюнхена, Университета Констанца, Токийского университета, RIKEN и Университета Аугсбурга. Для такой темы состав команды особенно важен: одни группы сильны в теории квантовых материалов, другие ведут сложные оптические эксперименты, третьи ищут новые соединения и проверяют их свойства.

Основой для нового этапа стали результаты более ранних работ. Ученые уже нашли системы, где связь между светом и антиферромагнитным порядком оказалась неожиданно сильной. Параллельно несколько групп показали, что такие состояния можно регистрировать оптическими методами. Для всей области это важный сдвиг. Когда нужную конфигурацию удается не только получить, но и увидеть с помощью света, путь к реальным устройствам становится гораздо короче.

Следующий шаг связан уже с прямым управлением такими материалами. Консорциум собирается использовать короткие и очень интенсивные световые импульсы. Речь идет о временах порядка пикосекунд, то есть триллионных долей секунды. На таких масштабах процессы идут настолько быстро, что обычная электроника уже упирается в физические пределы. Исследователи рассчитывают, что такой режим управления позволит приблизиться к обработке данных, которая окажется примерно в 1000 раз быстрее современных ферромагнитных технологий хранения.

Здесь важно не переоценить смысл сравнения. Авторы проекта не говорят, что любой компьютер после замены одного узла сразу ускорится в 1000 раз. Речь идет о потенциальной скорости переключения магнитных состояний в носителях информации и связанных с ними элементах памяти или логики. Если антиферромагнитную среду удастся быстро и надежно переключать светом, будущие вычислительные и запоминающие устройства смогут работать заметно быстрее и тратить меньше энергии на каждую операцию.

Дальше команде предстоит заняться не только уже известными веществами, но и поиском новых кандидатов. Исследователи хотят понять, какие антиферромагнитные материалы лучше всего подходят для сверхбыстрого переключения под действием света и механической деформации. Напряжение здесь играет вполне конкретную роль: в ряде квантовых систем даже небольшое растяжение, сжатие или другой тип деформации заметно меняет состояние решетки и магнитный порядок. Если такую зависимость удастся использовать управляемо, у разработчиков появится еще один способ переключать нужный режим помимо оптического импульса.

Проект не замыкается на фундаментальной физике. На следующем этапе международная команда собирается разработать и проверить в эксперименте новые функции устройств на базе таких веществ. По сути исследователи хотят пройти путь от вопроса о поведении антиферромагнетика к вопросу о том, какой компонент можно построить на его основе. В материаловедении такой переход выглядит логичным, но удается далеко не всегда: многие интересные квантовые эффекты так и остаются в научных статьях, потому что инженеры не могут встроить их в рабочую технику. Участники консорциума как раз пытаются перейти этот рубеж.

У проекта есть и еще одна важная сторона: он объединяет две научные школы. Немецкие и японские группы распределяют роли так, чтобы соединить сильные стороны обеих стран: теоретические модели, подбор веществ, оптические методы, эксперименты с быстрыми импульсами и последующую проверку свойств будущих устройств. Финансирование обеспечивают государственные научные структуры двух стран, Германский исследовательский фонд, DFG, и Японское общество содействия науке, JSPS.

Университет Аугсбурга в этой истории занимает сразу несколько позиций. Иштван Кезьмарки не только координирует новый проект, но и выступает представителем исследовательского центра DFG Collaborative Research Centre. В рамках этого объединения немецкие группы изучают квантовые состояния и вещества, которые в будущем могут лечь в основу технологий квантовой информации. Такой задел усиливает и новый японско-германский консорциум, потому что часть нужной экспертизы уже накоплена и проверена в смежных работах.

Интерес к антиферромагнетикам растет не случайно. У таких материалов редкое сочетание свойств. Внутренняя магнитная структура делает их подходящими для хранения и обработки информации, а отсутствие заметного внешнего поля уменьшает паразитные помехи между соседними элементами и потенциально позволяет плотнее размещать компоненты. Если управление светом действительно окажется быстрым, точным и экономичным, антиферромагнетики смогут перейти из разряда сложных квантовых веществ в основу новых запоминающих и вычислительных схем.

Проект только стартовал, и впереди самый трудный этап. Команде нужно не просто показать красивый физический эффект, а научиться запускать его по команде, воспроизводить без сбоев и привязывать к конкретным устройствам. Именно на этой стадии обычно становится ясно, превратится ли лабораторный результат в рабочую технологию или останется многообещающим, но узким направлением исследований.