Лаборатория физики наноструктур НИИЯФ МГУ

Междисциплинарный проект направлен на разработку методов изготовления новых элементов сверхпроводниковой спинтроники, а также средств и принципов проектирования сверхпроводниковых интегральных схем вычислителей не фон Неймановской архитектуры, таких как квантовые и нейроморфные процессоры, на их основе. Необходимость привнесения элементов спинтроники в сверхпроводниковую электронику продиктована низкой степенью интеграции традиционных сверхпроводниковых схем, в которых информация представлена в виде квантов магнитного потока. Кроме решения проблемы масштабирования, ожидается, что управляемые элементы спинтроники позволят реализовать энергоэффективные схемы с перестраиваемым функционалом, а также компактные элементы памяти, в том числе с функцией непрерывного изменения физических параметров. Последнее особенно важно как для реализации возможности подстройки интерфейсных схем квантовых цепей, так и для создания синаптических связей в сверхпроводниковых нейросетях. Данная работа лежит на стыке таких дисциплин как физика и материаловедение, программирование и математическое моделирование, проектирование электронных устройств. Задача фундаментального исследования новых многокомпонентных элементов спинтроники на базе искусственных ферромагнетиков с последующим созданием их математических моделей, которые могут быть интегрированы в соответствующие компоненты системы автоматизированного проектирования и сопровождаться параллельной отработкой элементной базы на их основе, возможно только в рамках междисциплинарного проекта на пересечении физики и инженерных наук.

Создание систем обработки больших объемов данных и искусственного интеллекта следующих поколений требует исследования путей перехода к новым материалам и способам конструирования. Данная задача, сформулированная в НТР РФ, обусловлена как невозможностью дальнейшего долговременного прогресса вычислительных устройств на традиционном пути масштабирования кремниевых транзисторов, так и новыми возможностями, открывающимися в решении некоторых классов задач с применением устройств на базе не фон неймановской архитектуры, таких как нейроморфные процессоры и квантовые компьютеры. В данных устройствах использование стандартной компонентной базы часто оказывается неоптимальным или невозможным. Увеличение производительности и энергоэффективности вычислительных устройств может быть получено на предлагаемом в данном проекте пути использования сверхпроводящих материалов и новых физических принципов, позволяющих реализовать энергоэффективные вычисления при высоком быстродействии. Ключевой задачей проекта является решение основной проблемы сверхпроводниковых электронных цепей – низкой степени интеграции. Новизной подхода будет являться изначальный ориентир на конструирование схем на базе наноразмерных джозефсоновских контактов и минимизация размеров активных компонент логических устройств за счет создания компактных «безындуктивных» схем. Разработанная компонентная база будет применена как для создания компонент логических устройств, включая и устройства новой «фазовой» логики, так и устройств нейроморфной обработки информации и интерфейсов к квантовым сверхпроводящим цепям. Выполнение данного проекта обеспечит базу для создания полноценной цифровой посткремниевой технологии и обеспечит сохранение имеющегося приоритета РФ в этой динамично развивающейся области.

Проект направлен на исследование электронного транспорта в гетероструктурах, содержащих сверхпроводящие (S) материалы с различным механизмом сверхпроводящего спаривания, диэлектрики (I), ферромагнетики (F) и нормальные (N) металлы. Основной целью проекта является разработка физических основ электронного транспорта в базовых элементах современных устройств сверхпроводниковой электроники – джозефсоновских контактах. На базе решения этой задачи будет исследована возможность создания на их основе новых базовых элементов сверхпроводниковой логики и памяти, и соответствующей им логики функционирования, подходящей для схем, работающих в классическом, адиабатическом, обратимом, квантовом режиме и режиме искусственной нейронной сети. Практическое значение проекта состоит в получении данных, необходимых для разработки и конструирования современных устройств для приема и обработки информации, которые отличаются от своих полупроводниковых аналогов уникальной чувствительностью и (или) быстродействием, а также в создании нового семейства компонент сверхпроводниковой элементной базы, построенных с использованием исследуемых джозефсоновских гетероструктур с ферромагнитными слоями. Будут определены параметры разрабатываемых джозефсоновских элементов, обеспечивающих корректное проведение логических операций, операций записи и считывания информации. Будут выполнены исследования динамических процессов в разрабатываемых базовых элементах и многоэлементных джозефсоновских структурах.