Ученые представили новую концепцию спин-волнового логического элемента

Эффективная обработка информации и передача данных очень важны для современного общества. При этом постоянно возрастающий объем информации приводит к значительным затратам на энергопотребление. Разработчики рассматривают разные способы решения этой проблемы. Одним из физических явлений, которое может быть использовано как основа для создания новых логических устройств, являются коллективные спиновые возбуждения (гармонические колебания ориентаций спинов, распространяющиеся внутри магнитных материалов). В перспективе они могут позволить изменить концепцию обработки данных и в существенной степени уменьшить тепловые потери. 

Спин-волновые логические устройства уже существуют. Есть транзисторы, затворы, диоды и различные логические элементы. Все они управляются с применением микрополосковых антенн, которые возбуждают спиновые волны при помощи микроволнового поля. Однако подобные решения сегодня существенно ограничены в плане возбуждения высокочастотных спиновых волн и миниатюризации самих устройств.

«Если мы хотим создать быстрый, миниатюрный и экономичный компьютер, то нужно решить ряд проблем. Наши современные полупроводниковые компьютеры работают на ГГц-частоте, из-за электрических токов компьютеры сильно нагреваются и потребляют много энергии. Потенциальной альтернативой могли бы стать высокочастотные спиновые волны, но у спин-волновых устройств на основе микрополосковых антенн проблемы с их возбуждением из-за разности импедансов (сопротивлений). В нашей работе мы используем оптическое возбуждение, которое лишено этой проблемы», — рассказывает Александр Чернов, руководитель лаборатории физики магнитных гетероструктур и спинтроники для энергосберегающих информационных технологий МФТИ.

Главной целью работы ученых Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и РКЦ было создание логического элемента на основе интерференции спиновых волн. Для этого они взяли оптически прозрачный магнитный материал — пленку железоиттриевого граната, в которой возбуждали спиновые волны сверхбыстрыми фемтосекундными лазерными импульсами. При этом не происходит нагрева и потери дополнительной энергии в желаемой точке на образце. 

Управляя поляризацией излучения и изменяя условия для интерференции, удалось добиться работы логических элементов, где входной информацией служат параметры лазерных импульсов (поляризация), а выходной — амплитуда спиновой волны в заданной точке пространства. Авторы также построили модель, которая подтвердила экспериментально полученные результаты и позволила определить подходы для создания других типов логических элементов на основе спиновых волн. 

Разработанный логический элемент получился полностью оптическим и динамическим. В нем можно менять входные параметры, такие как форма и количество пучков, что позволяет создавать различные типы логических устройств в одном месте.

По всем известному закону Мура уже довольно скоро полупроводниковая технология достигнет своего предела. Развитие оптомагнонной логики может сделать ее основной альтернативой для обработки и передачи информации.