Т-лучи ускорят компьютеры в тысячу раз

Учёные из МФТИ и других российских университетов и их коллеги из Германии и Нидерландов нашли способ значительно увеличить скорость работы компьютеров. Для этого они предложили использовать так называемые Т-лучи — терагерцевое излучение, которое может переключать ячейки компьютерной памяти в тысячи раз быстрее, чем это делается сегодня. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Photonics.

Классические компьютеры уже подходят к пределам роста быстродействия, поэтому учёные по всему миру ищут принципиально новые технологии, способные ускорить их работу. Одно из самых слабых мест современных вычислительных машин — память. На каждую операцию записи и перезаписи одной магнитной ячейки нужно время. Сократить время этого цикла очень и очень сложно, ведь быстро переключить внешнее магнитное поле невозможно.

В настоящее время компьютеры используют для перезаписи ячейки памяти магнитные поля. Однако скорость переключения магнитных состояний тех или иных материалов конечна, и наращивание быстродействия памяти уже давно подошло к объективным физическим пределам. Поэтому Себастиан Байерл (Sebastian Baierl) из Университета Регенсбурга, Анатолий Звездин (МФТИ, МИРЭА и Институт общей физики им. А. М. Прохорова), Алексей Кимель из Университета Неймегена (Нидерланды) предложили использовать для переключения памяти не магнитные поля, а импульсы терагерцевого излучения. Так называют электромагнитные волны в диапазоне между инфракрасным и СВЧ-излучением с длиной волны около 0,1 миллиметра. Его уже сегодня используют в установках для сканирования в аэропортах: "Т-лучи" не вредны для организма, но позволяют легко увидеть под одеждой оружие и взрывчатку.

Учёные решили протестировать свой подход в эксперименте со слабым ферромагнетиком — ортоферритом тулия (TmFeO₃). Магнитное поле в ферромагнетиках создаётся за счёт определённой ориентации спинов — магнитных моментов атомов в микрокристаллах (доменах). Обычно, чтобы поменять эту ориентацию в одном домене (ячейке памяти), нужно приложить к нему внешнее магнитное поле. Однако эксперимент показал, что терагерцевое излучение переводит ионы тулия в возбуждённое состояние и тем самым меняет магнитное состояние и ионов железа, и ионов тулия.

При одинаковых затратах энергии на генерацию излучения и магнитного поля действие Т-лучей оказалось почти в 10 раз сильнее внешнего магнитного поля. Таким образом, исследователи получили весьма действенный метод "перемагничивания", хорошую базу для создания сверхбыстрой памяти. По предварительным оценкам, переключение состояния намагниченности памяти Т-излучением может идти в тысячи раз быстрее, чем с помощью внешнего магнитного поля.

Как отмечают исследователи, ортоферрит тулия — просто демонстрационный материал. Предложенный способ контроля намагниченности можно использовать во многих других магнитных материалах, включая те, что активно применяются в электронике уже сегодня.