Физики из Университета Белостока (Польша) и Университета Радбуда (Голландия) разработали память с рекордно быстрым временем записи и чтения бита — менее 20 пикосекунд (соответствует 50 гигабитам в секунду). Эта величина превосходит современную флеш-память по меньшей мере в 500 раз (на чтение). В основе устройства лежит запись магнитных состояний с помощью оптических импульсов. По словам авторов, помимо большой скорости работы, память требует очень малой энергии на переключение из состояния «0» в состояние «1» — примерно в миллиард раз меньше, чем в жестких дисках и флеш-памяти. Исследование опубликованов журнале Nature.

Схема эксперимента. Намагниченность участков граната определяется по вращению поляризации (эффект Фарадея) пробного импульса (слева сверху). Справа снизу — эволюция намагниченности домена. Время записи одного бита может достигать 20 пикосекунд и меньше. A. Stupakiewicz et al. / arXiv.org, 2016

Один из подходов к ускорению элементов памяти — переход от магнитной (HDD) или электрической (Flash) записи к магнитооптической. Под действием определенных лазерных импульсов домены магнитных материалов могут изменять свою намагниченность, а коэрцитивные силы в магнетиках не позволяют этой намагниченности исчезнуть. Но одновременно с этим материалы эффективно поглощают оптическое излучение и нагреваются из-за этого. Нагрев свыше определенной температуры (точки Кюри) разрушает магнитное упорядочение в материале, что приводит к потере записанной информации. С этими проблемами сталкивались физики, пытавшиеся создать подобную память на основе сплавов металлов.

Внешний вид иттрий-железного граната, допированного колбальтом. Radboud University

Авторы новой работы нашли материал, в котором энергия, необходимая для переключения магнитного состояния, гораздо меньше, чем требуемая для нагрева до температура Кюри. Им оказался иттрий-железный гранат, в котором часть атомов железа заменена атомами кобальта. Это оптически прозрачный материал, не проводящий электрический ток. 

Для того чтобы записать бит информации, физики облучали участок материала фемтосекундным лазерным импульсом определенной поляризации (вдоль одной из кристаллографических осей граната). При этом в ионах кобальта происходили электронные переходы, обеспечивающие изменение намагниченности доменов граната. Ученые оценили, что количество тепла, рассеиваемого при перемагничивании бита размером 20×20×10 нанометров, равно 22 аттоджоулям. Для сравнения, на запись/чтение одного бита в жестком диске уходит порядка 10–100 наноджоулей (в миллиард раз больше). Время записи и чтения одного бита составляло менее 20 пикосекунд, против 10 000 пикосекунд в технологии Flash-памяти (чтение). Для того чтобы стереть записанную информацию, к материалу кратковременно прикладывали внешнее магнитное поле. Авторы проверили устойчивость работу системы, выполняя циклы записи/чтения/стирания на протяжении нескольких дней.

В верхнем правом углу: процесс записи «0» и «1» импульсами разных поляризаций. Снизу — процесс циклической записи «0»-«1»-«0»-«1»-… A. Stupakiewicz et al. / arXiv.org, 2016

По словам ученых, скорость переключения может быть дополнительно увеличена. За переключение намагниченности отвечает анизотропия свойств материала — их неоднородность в разных направлениях. Физики утверждают, что усилить анизотропию в гранатах можно за счет внешних электрических полей. Это позволит добиться того, что переключение магнитных состояний будет происходить лишь при одновременном включении электрического поля и облучении светом. При этом ожидается, что количество рассеянного тепла станет еще меньше, чем в предложенной технике. 

Ранее мы сообщали о памяти с рекордной плотностью записи информации, разработанной в университете Дельфта. Для записи одного бита в ней используется всего несколько атомов, а сам процесс записи происходит с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Его игла перемещает единичные атомы хлора по поверхности монокристалла меди. 

Автор: Владимир Королёв