Новый метод малой мощности для обнаружения спина электронов в немагнитной системе может помочь в разработке устройств спинтроники, которые работают с использованием сегнетоэлектричества, а не ферромагнетизма. Такие устройства могут в конечном итоге сформировать основу нового поколения эффективных низкоэнергетических компьютерных процессоров и, таким образом, помочь поддерживать прогресс в высокоскоростной обработке информации.

В течение более полувека вычислительная мощность росла в геометрической прогрессии. Однако в последнее время этот рост по «закону Мура» замедлился, поскольку становится все труднее сделать обычные транзисторы меньше, чем они уже есть. Поэтому исследователи ищут способы, позволяющие наращивать вычислительную мощность, даже если традиционное масштабирование по размерам выходит за рамки фундаментальных ограничений.

Среди множества исследуемых решений - те, которые стремятся снизить потребление энергии в полевых транзисторах (FET), которые составляют основу современных кремниевых компьютерных чипов. Один из способов сделать это - заменить обычные транзисторы альтернативной версией, для которой не требуется непрерывный источник питания для поддержания его состояния «ВКЛ» или «ВЫКЛ».

Спинтроника, которая использует спин электронов (или собственный угловой момент), а не их заряд для хранения и обработки информации, может предложить способ достижения этой цели. Поскольку спины электронов могут быть направлены «вверх» или «вниз», это двоичное свойство можно использовать для выполнения логических операций в спинтронных схемах почти так же, как электрический заряд используется в электронных схемах. Ключевое преимущество заключается в том, что, когда спин электрона меняет направление, его новое состояние сохраняется постоянно (то есть, оно энергонезависимо). Следовательно, схемы спинтроники не требуют никакой дополнительной входной мощности, чтобы их состояния оставались стабильными.

Однако схемы на основе спинтроники имеют большой недостаток для защитников эффективности. В спинтронике информация передается или управляется через спиновые токи, которые состоят из электронов с противоположными спинами, движущимися в противоположных направлениях. Эти токи обычно генерируются с использованием ферромагнитных материалов. Это проблема, потому что намагниченность таких материалов не может быть переключена, кроме как путем применения очень сильных магнитных полей или токов. Следовательно, в любом практическом переключаемом устройстве энергетическое преимущество, связанное с энергонезависимым хранением, будет быстро уничтожено.

Исследователи из лаборатории Spintec (CNRS / CEA / Université Grenoble Alpes) и лаборатории CNRS / Thales, возглавляемой Жаном-Филиппом Аттане (Jean-Philippe Attané) и Мануэлем Бибесом (Manuel Bibes), в настоящее время разработали новый, более низкоэнергетический способ управления спиновыми токами.

В их методе используется ультратонкий слой проводящих электронов, технически известный как двумерный (2D) электронный газ, который развивается на границе раздела между титанатом стронция (электрическим изолятором в чистом виде) и покрывающим слоем алюминия.

Исследователи начали с инжекции спинового тока из ферромагнитного никель-железного сплава в титанат стронция (SrTiO3). Как только электроны удерживаются в двумерном электронном газе, их спин связывается с импульсом благодаря явлению, известному как спин-орбитальное взаимодействие. «Этот эффект преобразует спиновый ток в обычный зарядный ток, что позволяет нам обнаруживать инжектируемые спины», - объясняют Аттане и Бибес.

Затем команда приложила напряжение к изолирующему слою SrTiO3 под электронным газом, чтобы настроить спин-орбитальную связь и, таким образом, направление тока заряда. В этот момент они обнаружили, что изолирующий слой SrTiO3 ведет себя как сегнетоэлектрический материал, то есть имеет постоянный электрический дипольный момент, так же как ферромагнитный материал имеет постоянный магнитный дипольный момент. Это является значительным преимуществом, поскольку электрические дипольные моменты могут быть ориентированы с использованием электрических полей, которыми намного легче управлять, чем магнитными полями, необходимыми для переключения намагниченности ферромагнитных материалов.

Аттане и Бибес и их коллеги также подтвердили, что направление общей электрической поляризации SrTiO3 зависит от полярности приложенного напряжения. Эта электрическая поляризация сохраняется даже при отключении электрического поля, что означает, что они могут постоянно управлять спин-орбитальной связью и, таким образом, направлением тока заряда, возникающего из спинового тока.

Свет становится ведущим средством обработки информации в компьютерах и телекоммуникациях, поскольку наша потребность в повышении энергоэффективности и пропускной способности увеличивается.

Уже являясь золотым стандартом межконтинентальной связи через волоконную оптику, фотоны заменяют электроны в качестве основных носителей информации в оптических сетях и в сердце самих компьютеров.

Тем не менее, остаются существенные инженерные барьеры для завершения этой трансформации. Отраслевые стандартные кремниевые схемы, поддерживающие свет, более чем на порядок больше, чем современные электронные транзисторы. Одним из решений является «сжатие» света с использованием металлических волноводов - однако для этого потребуется не только новая производственная инфраструктура, но и то, как свет взаимодействует с металлами на микросхемах, поскольку фотонная информация легко теряется.

В настоящее время ученые в Австралии и Германии разработали модульный метод проектирования наноразмерных устройств, чтобы помочь преодолеть эти проблемы, сочетая лучшее из традиционной конструкции чипа с фотонной архитектурой в гибридной структуре. Их исследование опубликовано в Nature Communications.

«Мы построили мост между стандартными кремниевыми фотонными системами и металлическими волноводами, которые можно сделать в 100 раз меньшим, сохранив при этом эффективность», - сказал ведущий автор д-р Алессандро Туниц (Alessandro Tuniz) из Наноинститута Сиднейского университета и Школы физики.

Этот гибридный подход позволяет манипулировать светом на наноуровне, измеряемым в миллиардных долях метра. Ученые показали, что они могут достичь манипулирования данными в 100 раз меньшими, чем длина волны света, несущего информацию.

«Такая эффективность и миниатюризация будут важны при преобразовании компьютерной обработки, основанной на свете. Она также будет очень полезна при разработке квантово-оптических информационных систем, многообещающей платформы для будущих квантовых компьютеров, - сказал доцент Стефано Паломба (Stefano Palomba), соавтор из Сиднейского университета и лидер нанофотоники в сиднейском Наноинституте. - В конечном итоге мы ожидаем, что фотонная информация будет мигрировать в ЦП, сердце любого современного компьютера. Такое видение уже разработано IBM».

Встроенные устройства нанометрового масштаба, в которых используются металлы (известные как «плазмонные» устройства), обеспечивают функциональность, недоступную ни одному обычному фотонному устройству. В частности, они эффективно сжимают свет до нескольких миллиардных долей метра и таким образом достигают чрезвычайно улучшенных, без помех, взаимодействий света и вещества.

«Наряду с революцией в общей обработке, это очень полезно для специализированных научных процессов, таких как наноспектроскопия, атомное зондирование и детекторы наноразмеров», - сказал д-р Туниц.

Однако достижение их универсальной функциональности было затруднено из-за использования специальных конструкций.

«Мы показали, что две отдельные конструкции могут быть объединены вместе для улучшения стандартного чипа, который раньше не делал ничего особенного», - сказал д-р Туниц.

Этот модульный подход обеспечивает быстрое вращение поляризации света в микросхеме и благодаря этому вращению позволяет достичь фокуса примерно в 100 раз меньшего, чем длина волны.

Проф. Мартейн де Стерке (Martijn de Sterke) - директор Института фотоники и оптических наук Сиднейского университета, сказал: «Будущее обработки информации, вероятно, будет включать в себя фотоны с использованием металлов, которые позволяют нам сжимать свет до наноразмеров и интегрировать эти конструкции в обычную кремниевую фотонику».

Исследовательская группа: (слева направо) доц. Стефано Паломба, д-р Алессандро Туниц и проф. Мартейн де Стерке

В 2005 г. журнал Science спросил, возможно ли разработать магнитный полупроводник, который мог бы работать при комнатной температуре. Теперь, всего пятнадцать лет спустя, исследователи разработали эти материалы в двухмерной форме, решая одну из самых неразрешимых проблем науки.

По мере того, как наши смартфоны, ноутбуки и компьютеры становятся меньше и быстрее, так же становятся меньше и транзисторы внутри них, которые контролируют поток электричества и хранят информацию. Но традиционные транзисторы нельзя сильно сжать. Теперь исследователи из Технологического института Стивенса разработали новый атомарно тонкий магнитный полупроводник, позволяющий разрабатывать новые транзисторы, которые работают совершенно по-другому; они могут не только использовать заряд электрона, но и спин, обеспечивая альтернативный путь к созданию все меньшей и более быстрой электроники.

Вместо того чтобы полагаться на создание все более мелких электрических компонентов, новое открытие, о котором сообщалось в журнале Nature Communications, потенциально может стать критически важной платформой для развития спинтроники, принципиально нового способа работы с электроникой и крайне необходимой альтернативе продолжению миниатюризации стандартных электронных устройств. В дополнение к снятию барьера для миниатюризации, новый атомно-тонкий магнит может также обеспечить более высокую скорость обработки, меньшее энергопотребление и увеличенную емкость хранилища.

«Двумерный ферромагнитный полупроводник - это материал, в котором ферромагнетизм и полупроводниковые свойства сосуществуют, и поскольку наш материал работает при комнатной температуре, он позволяет нам легко интегрировать его с устоявшейся полупроводниковой технологией», - сказал Э.Х. Ян (EH Yang), профессор машиностроения в Технологическом институте Стивенса, который руководил этим проектом.

«Напряженность магнитного поля в этом материале составляет 0,5 мТл; хотя такая слабая напряженность магнитного поля не позволяет нам подхватить скрепку, она достаточно велика, чтобы изменить спин электронов, что может быть использовано для применений квантовых битов», - сказал Стефан Страуф (Stefan Strauf), профессор физики в Стивенсе.

Когда компьютеры были впервые построены, они заполняли всю комнату, но теперь они могут поместиться в вашем заднем кармане. Причиной этого является закон Мура, согласно которому каждые два года число транзисторов, устанавливаемых на компьютерный чип, удваивается, что фактически удваивает скорость и возможности гаджета. Но транзисторы могут стать настолько маленькими, что электрические сигналы, которыми они должны управлять, больше не будут подчиняться их командам.
Хотя большинство прогнозистов ожидают, что закон Мура закончится к 2025 году, были исследованы альтернативные подходы, которые не зависят от физического масштабирования.

Управление спином электронов, вместо того, чтобы полагаться исключительно на их заряд, может обеспечить решение в будущем.
Создание нового магнитного полупроводника с использованием двумерных материалов - то есть толщиной в два атома - позволит разработать транзистор для управления электричеством с контролем спина электрона, вверх или вниз, в то время как все устройство остается легким, гибким и прозрачным.

Используя метод, названный in situ, замещающим легированием, проф. Ян и его команда успешно синтезировали магнитный полупроводник, в результате чего кристалл дисульфида молибдена замещается атомами железа. Во время этого процесса атомы железа отталкивают некоторые атомы молибдена и занимают свое место в точном месте, создавая прозрачный и гибкий магнитный материал - опять же, толщиной всего два атома. Материал остается намагниченным при комнатной температуре, и, поскольку он является полупроводником, он может быть непосредственно интегрирован в существующую архитектуру электронных устройств в будущем.

«Чтобы сделать что-то существенное в науке, нужно, чтобы другие сотрудничали с вами, - сказал доктор философии Шичень Фу (Shichen Fu), студент машиностроительного факультета в Стивенсе. - На этот раз мы собрали всех нужных людей - лаборатории с разными сильными сторонами и разными перспективами - чтобы это произошло».

Исследователи разработали новый резонансный туннельный диод (RTD) с характеристиками, превышающими ожидаемую скорость 5G.

Дэвид Сторм (David Storm), физик-исследователь, и Тайлер Гроуден (Tyler Growden), инженер-электрик, оба из Исследовательской лаборатории ВМС США, разработали новый электрический компонент на основе нитрида галлия, названный резонансным туннельным диодом (RTD), с характеристиками, превышающими ожидаемую скорость 5G.

Результаты исследований электронных компонентов диодов Сторма и Гроудена были опубликованы в академическом журнале Applied Physics Letters.

«Наша работа показала, что RTD на основе нитрида галлия не являются медленными по своей природе, как другие предположили, - сказал Гроуден. - Они хорошо сравниваются по частоте и выходной мощности с RTD из разных материалов».

Диоды позволяют чрезвычайно быстро переносить электроны, чтобы воспользоваться преимуществом явления, называемого квантовым туннелированием. В этом туннелировании электроны создают ток, проходя через физические барьеры, используя свою способность вести себя как частицы и волны.

Конструкция Сторма и Гроудена для диодов на основе нитрида галлия показала рекордные значения выходного тока и скорости переключения, что позволило применять приложения, требующие электромагнитного поля в миллиметровом диапазоне частот и частот в терагерцах. Такие приложения могут включать связь и сетевое взаимодействие.

Команда разработала повторяемый процесс для увеличения выхода диодов примерно до 90%; предыдущие типичные выходы колеблются около 20%.

По словам Сторма, достижение высокой производительности операционных туннельных устройств может быть затруднено, поскольку они требуют четких интерфейсов на атомном уровне и очень чувствительны ко многим источникам рассеяния и утечки.

Подготовка образца, равномерный рост и контролируемый процесс изготовления на каждом этапе были ключевыми элементами для удовлетворительных результатов диодов на чипе.

«До сих пор с нитридом галлия было трудно работать с точки зрения производства, - сказал Сторм. - Мне неприятно это говорить, но наша высокий выход был такой же простой, как падение с бревна, и во многом это было связано с нашим дизайном».

Сторм и Гроуден заявили, что они намерены продолжать совершенствовать свою конструкцию RTD, чтобы улучшить выходной ток без потери потенциала мощности. Они выполняли свою работу вместе с коллегами из Университета штата Огайо, Университета штата Райт, а также с отраслевыми партнерами.

Дэвид Сторм, физик-исследователь, и Тайлер Гроуден, научный сотрудник Национального исследовательского совета, в Исследовательской лаборатории ВМС США с их системой молекулярно-лучевой эпитаксии, которая разрабатывает полупроводники на основе нитрида галлия (GaN)

Квантовые спиновые жидкости являются кандидатами для потенциального использования в будущих информационных технологиях. До сих пор квантовые спиновые жидкости обычно были обнаружены только в одной или двухмерных магнитных системах. В настоящее время международная группа исследовала кристаллы PbCuTe2O6 с помощью нейтронных экспериментов.

Они обнаружили поведение спиновой жидкости в 3D благодаря так называемой гипер-гиперкагомной решетке. Экспериментальные данные очень хорошо соответствуют теоретическому моделированию, также проведенному в HZB.

ИТ-устройства сегодня основаны на электронных процессах в полупроводниках. Следующим настоящим прорывом может стать использование других квантовых явлений, например, взаимодействия между спинами. Так называемые квантово-спиновые жидкие материалы могут быть кандидатами на такие новые технологии. Они значительно отличаются от обычных магнитных материалов, потому что в магнитных взаимодействиях преобладают квантовые флуктуации: из-за геометрических ограничений в кристаллической решетке спины не могут все «замерзнуть» вместе в основном состоянии - они вынуждены колебаться даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Квантовые спиновые жидкости редки и до сих пор были обнаружены в основном в двумерных магнитных системах. Трехмерные изотропные спиновые жидкости в основном используются в материалах, в которых магнитные ионы образуют пирохлорные или гиперкагомные решетки. Международная группа, возглавляемая физиком из HZB, профессором Беллой Лейк (Bella Lake), в настоящее время исследовала образцы PbCuTe2O6, который имеет трехмерную решетку, называемую гипер-гиперкагомной решеткой.

Физик из HZB, профессор Йоханнес Ройтер (Johannes Reuther), рассчитал поведение такой трехмерной гипер-гиперкагомной решетки с четырьмя магнитными взаимодействиями и показал, что система демонстрирует квантово-спиновое поведение жидкости с определенным спектром магнитной энергии.

С помощью нейтронных экспериментов в ISIS, Великобритания, ILL, Франция и NIST, США, команда смогла доказать наличие очень слабых сигналов этого предсказанного поведения. «Мы были удивлены, насколько хорошо наши данные вписываются в расчеты. Это дает нам надежду, что мы действительно сможем понять, что происходит в этих системах», - объясняет первый автор доктор Шравани Чиллал (Shravani Chillal) из HZB.

Два из четырех магнитных взаимодействий образуют новую трехмерную сеть треугольников с общим углом, известную как гипер-гиперкагомная решетка, что приводит к поведению квантовой спиновой жидкости в PbCuTe2O6

Исследователи достигли мировой рекордной скорости передачи данных по стандартному оптическому волокну на расстоянии 75 км, используя мощный класс микрогребней, называемый кристаллами солитона.

Австралийские и канадские исследователи во главе с профессором Дэвидом Дж. Моссом (David J. Moss) из Технологического университета Суинберна и почетным профессором Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) смогли достичь мирового рекордного уровня передачи данных по стандартному оптическому волокну длиной 75 км с использованием мощного класса микрогребней, называемых солитонными кристаллами.

Телекоммуникационные сети используют много разных частот, или цветов, для передачи как можно большего количества информации. Современные сети, как правило, нуждаются в отдельном лазере для каждого цвета, что сложно и дорого настроить должным образом. «Здесь мы решили использовать микрогребень для замены нескольких лазеров. Как и расческа для волос, мы можем генерировать набор частот, которые одинаково удалены, а фазу и амплитуду можно легко и точно контролировать», - объясняет проф. Морандотти. Возможность снабжения всех длин волн одним компактным интегрированным чипом, заменяющим множество параллельных лазеров, обеспечивает наибольшее преимущество с точки зрения производительности, масштабируемости и энергопотребления.

«Мы воспользовались тем, что частотная гребенка может быть создана с помощью устройства, известного как микрокольцевой резонатор. До этой работы, хорошо работавшая гребенка, приводящая к так называемому солитонному резонатору, требовала специального и уникального баланса между дисперсией цвета и нелинейностью. Такие гребни обычно трудно генерировать и стабилизировать, и они не очень эффективны даже в идеальных условиях, поэтому исследователи разработали новый способ достичь этого в телекоммуникационных целях. В частности, если микрорезонатор правильно спроектирован, можно получить точку пересечения между оптическими модами, поддерживаемыми устройством, что, в свою очередь, создает правильное условие для реализации другого типа микрогребня, что приводит к так называемым кристаллическим солитонам, которые оба являются устойчивыми и удобными для пользователя», - объясняет проф. Морандотти.

Эта работа демонстрирует способность оптического микрогребня работать в требовательных и практичных оптических сетях связи. По словам профессора Морандотти, предложенный механизм может быть коммерчески реализован через 5 лет, поскольку аналогичные микрокольцевые резонаторы, предназначенные для менее требовательных приложений, таких как фильтрация, уже хорошо известны и коммерчески доступны.

Концептуальная схема эксперимента по связи с использованием микрогребня солитонного кристалла

a. Иллюстрация состояния солитонного кристалла, используемая в этой статье. Из полученного спектра мы делаем вывод, что состояние представляло собой один кристалл с временным дефектом по всему кольцу. Состояние имело характерный «зубчатый» спектр микрогребня, соответствующий состоянию кристалла с одним временным дефектом.

b. Фотография микросхемы микрокольцевого резонатора, упакованного в оптоволоконный кабель, который используется для генерации солитонов. Полный чип составляет 5 мм × 9 мм, из которых мы используем устройства и получаем доступ к волноводам на ~ ¼ площади. Монета достоинством в 2 австралийских доллара (диаметром 20,5 мм), показанная в масштабе, аналогична размеру никеля в долларах США или монеты в 10 евроцентов. На вставке - микроскопическое изображение элемента кольцевого резонатора со шкалой. Видимые искажения происходят из-за наложения клея из волоконного массива.

c. Экспериментальная установка. Лазер непрерывной волны, усиленный до 1,8 Вт, накачал микрокольцевый резонатор FSR с частотой 48,9 ГГц, создав микрогребень из состояния колебания солитонного кристалла. Гребень был сплющен и оптически демультиплексирован для обеспечения возможности модуляции, а полученные данные оптически мультиплексированы перед последующей передачей по волокнам с усилением EDFA. В приемнике каждый канал оптически демультиплексируется перед приемом. ECL - лазер с краевой связью, WSS-селективный переключатель, Rx - приемник

Электроника, вдохновленная органическими мемристорами, предлагает энергосберегающую и экономически эффективную платформу для различных приложений ИИ и IoT.

Ожидается, что появление искусственного интеллекта, машинного обучения и Интернета вещей изменит современную электронику и приведет к четвертой промышленной революции. Актуальный вопрос для многих исследователей заключается в том, как справиться с этой технологической революцией.

«Для нас важно понимать, что современные вычислительные платформы не смогут поддерживать масштабные реализации алгоритмов ИИ для массивных наборов данных, - сказал Тирумалай Венкатесан (Thirumalai Venkatesan), один из авторов статьи, опубликованной в Applied Physics Reviews из AIP Publishing. - Сегодняшние вычисления слишком энергоемки, чтобы обрабатывать большие данные. Нам необходимо переосмыслить наши подходы к вычислениям на всех уровнях: материалы, устройства и архитектура, которые могут обеспечить вычисления со сверхнизкой энергией».

По словам Венкатесана, электронная система с органическими мемристорами может предложить функционально перспективную и экономически эффективную платформу. Мемристорные устройства - это электронные устройства со встроенной памятью, которые способны как хранить данные, так и выполнять вычисления. Поскольку мемристоры функционально аналогичны действию нейронов, вычислительных единиц в мозге, они являются оптимальными кандидатами для инспирированных мозгом вычислительных платформ.

До сих пор оксиды были ведущим кандидатом в качестве оптимального материала для мемристоров. Были предложены разные системы материалов, но пока ни одна из них не была успешной.

«За последние 20 лет было несколько попыток придумать органические мемристоры, но ни одна из них не показала никаких обещаний, - сказал Сритош Госвами (Sreetosh Goswami), ведущий автор статьи. - Основная причина этого отказа - отсутствие стабильности, воспроизводимости и неоднозначности в механистическом понимании. Мы теперь можем решить большинство из этих проблем на уровне устройств».

Это новое поколение органических мемристоров разработано на основе металлических азокомплексных устройств, которые являются детищем Срибаты Госвами (Sreebata Goswami), профессора Индийской ассоциации развития науки в Калькутте и другого автора статьи.

«В тонких пленках молекулы настолько прочны и устойчивы, что в конечном итоге эти устройства могут стать правильным выбором для многих носимых и имплантируемых технологий или сетей на теле, потому что они могут сгибаться и растягиваться», - сказал Срибата Госвами. Сеть на теле - это серия беспроводных датчиков, которые прилипают к коже и отслеживают здоровье.

Следующей задачей будет производство этих органических мемристоров в больших количествах.

«Сейчас мы производим отдельные устройства в лаборатории. Нам нужно сделать схемы для крупномасштабной функциональной реализации этих устройств», сказал Венкатесан.

Структура устройства на молекулярном уровне. Наночастицы золота на нижнем электроде усиливают поле, позволяя работать на сверхнизких энергиях молекулярного устройства

Лазерный свет может превратить нормально изолирующий материал в проводник и наоборот, согласно расчетам, проведенным физиками в США и Великобритании. Этот трюк опирается на квантовое управление, идею о том, что выход системы может быть настроен по желанию путем применения подходящего изменяющегося во времени поля на ее входе.

Находясь в состоянии равновесия, поведение системы в значительной степени определяется внутренними характеристиками. Например, очень разные составы золота и железа придают совершенно разные химические, электрические и магнитные свойства. Но, как указал Джерард МакКол (Gerard McCaul) из Университета Тулейн в Новом Орлеане, эти свойства можно изменить, применяя к веществам изменяющиеся во времени поля - обычно это электромагнитное поле, такое как излучение лазера.
«Существует определенная« универсальность» для управляемых систем, - говорит он, - где они могут демонстрировать практически любое наблюдаемое поведение, которое вы выбираете, при условии, что вы можете найти подходящее поле для управления».

В последней работе МакКол и Денис Бондарь из Тулейна вместе с коллегами из Королевского колледжа в Лондоне и Исследовательской лаборатории армии США в Мэриленде разработали новую теоретическую основу для управления свойствами системы с помощью лазерных лучей, электромагнитные поля которых изменяются со временем очень четко определенным способом. Это когерентное управление уже используется во многих приложениях, таких как использование радиочастотных импульсов для подготовки состояний квантовых битов, применяемых в экспериментах по ядерному магнитному резонансу.

Три года назад Гершель Рабиц (Herschel Rabitz), Бондарь и коллеги из Принстонского университета теоретически показали, что квантовое управление можно использовать для того, чтобы сделать выходные данные двух разных физических систем идентичными - так, что одна из них имитирует другую. Рассматриваемые системы были атомами аргона и водорода, и исследователи из Принстона рассчитали, как лазерный импульс подходящей формы, направленный на атом водорода, заставит этот атом излучать свет с тем же спектром, что и аргон.

Теперь Маккол и его коллеги распространили эту идею на системы многих тел, в частности на твердотельные материалы.

При воздействии лазера материал поглощает энергию луча, приводящую в движение его электроны. И наоборот, движение электронов может генерировать свет. Но типы спектров тока и излучения, генерируемых таким образом, зависят от того, находится ли материал в проводящей или изолирующей фазе. Англо-американская группа показала, что можно варьировать входящие поля таким образом, чтобы преобразовать спектр излучения проводника в спектр изолятора и наоборот. Таким образом, они предсказывают, что должна быть возможность переключать твердое тело между его изолирующей и проводящей фазами путем тщательного проектирования поля возбуждения лазера.

Способность формировать свойства системы таким способом зависит от очень нелинейной взаимосвязи между выходом материала и лазерным полем на входе. Это делает управление вводом далеко не простым. Для этого исследователи адаптировали метод, известный как контроль слежения, для обработки сложных, повседневных вещей, моделируемых с помощью решетки. Вместо того, чтобы вычислять оптимальное значение для лазерного поля в каждый момент времени, они вместо этого используют нелинейное уравнение движения, которое непрерывно пересчитывает поле, используя выходные данные системы - что они обнаружили, что они могут делать эффективно, избегая нефизических особенностей.

Маккол указывает на то, что эта лазерная схема не в состоянии диктовать значение каждого наблюдаемого в системе. Например, изменение массы протона будет запрещено. Но, тем не менее, он говорит, что большинство свойств материала, изученных экспериментально, имеют электромагнитную природу и поэтому могут подвергаться влиянию.

Заглядывая в будущее, исследователи также стремятся показать, как их схема может создать новые типы сверхпроводников или повысить температуру перехода материалов, у которых уже наблюдается сверхпроводимость.

Квантовое управление с использованием лазерного света может превратить изоляторы в проводники и наоборот

Команда ученых предприняла шаги для создания новой формы хранения цифровых данных «Racetrack Memory», которая открывает возможности как для увеличения мощности компьютера, так и для создания меньших, более быстрых и более энергоэффективных технологий компьютерной памяти.

«Память Racetrack, которая переконфигурирует магнитные поля инновационными способами, может вытеснить современные методы массового хранения данных, такие как флэш-память и дисковые накопители, благодаря своей улучшенной плотности хранения информации, более быстрой работе и меньшему энергопотреблению», - говорит Яссин Кессаб (Yassine Quessab) научный сотрудник Центра квантовых явлений при Нью-Йоркском университете (CQP) и ведущий автор работы, о которой сообщается в журнале Scientific Reports.

«Хотя для их развертывания в бытовой электронике необходимы дополнительные разработки, этот новаторский тип памяти может вскоре стать новой волной массового хранения данных», - добавляет профессор физики Нью-Йоркского университета Эндрю Кент (Andrew Kent), главный автор статьи.

Современные устройства, от смартфонов до ноутбуков и облачных хранилищ, полагаются на значительную и растущую плотность хранения цифровых данных. Поскольку в будущем потребность будет только возрастать, исследователи ищут способы усовершенствования технологий хранения данных - увеличения их емкости и скорости при уменьшении их размера.

Прорыв, о котором сообщалось в Scientific Reports, в который также вошли исследователи из Университета Вирджинии, Калифорнийского университета, Сан-Диего, Университета Колорадо и Национального института стандартов и технологий, обусловлен целью разработки нового формата цифровой памяти.

В центре внимания команды была «скирмионная беговая память», малоисследованный тип памяти, который обращает вспять процессы существующего хранилища.

Многие современные платформы массового хранения данных функционируют как старая музыкальная кассета, которая считывает данные путем перемещения материала (например, ленты) с помощью двигателя через считывающее устройство (то есть в кассетный плеер), а затем декодирует информацию, записанную на материале, чтобы воспроизвести звук. Напротив, беговая память делает противоположное: материал остается на месте, а сама информация перемещается по считывающему устройству - без необходимости перемещения механических частей, таких как двигатель.

Информация переносится магнитным объектом, называемым скирмионом, который можно перемещаться внешним стимулом, таким как импульс тока. Скирмион, магнитная текстура с вращающейся конфигурацией спина, вращается, как будто свернувшись шариком. Этот шарик спинов представляет собой бит данных, который можно быстро перемещать, а также создавать и стирать с помощью электрических импульсов. Скирмионы могут быть очень маленькими и перемещаться с высокой скоростью при низких затратах энергии, что позволяет создавать более быстрые и более энергоэффективные СХД с высокой плотностью хранением данных. Тем не менее, остаются препятствия для этой формы хранения данных.

«Мы обнаружили, что маленькие скирмионы стабильны только в очень специфических материальных средах, поэтому определение идеальных материалов, которые могут содержать скирмионы, и обстоятельства, при которых они создаются, является первоочередной задачей для применения этой технологии, - отмечает Кент. - Это было в центре нашего исследования до сих пор».

Тесты исследователей показали, что магнитные материалы, которые генерируют только небольшие магнитные поля - материалы, известные как ферримагнетики, - благоприятны для создания маленьких скирмионов и их перемещения. Они показали, что магнитные взаимодействия в этих материалах можно точно контролировать, чтобы способствовать образованию скирмионов.

Достижения являются частью больших усилий CQP в области спинтроники - как спин электронных частиц взаимодействует с намагниченностью. Понимание этих взаимодействий может привести к новым возможностям в области управления магнитными и электрическими полями.

Электрические манипуляции с магнитной частицей обеспечивают большую высокоскоростную память. Исследователи успешно продемонстрировали метод переключения нового материала между двумя различными энергонезависимыми состояниями на очень высоких скоростях и с большой точностью. Физические составляющие рассматриваемого устройства значительно устойчивее к внешним воздействиям, таким как магнитные поля. Эти факты вместе означают, что может быть создано высокоскоростное устройство памяти большой емкости. Такое устройство также будет чрезвычайно энергоэффективным.

В 1929 г. физик-теоретик Герман Вейль исследовал недавно выведенное уравнение Дирака для релятивистских фермионов, которое привело к открытию антиматерии. Он заметил, что уравнение подразумевает существование безмассовой частицы, которая стала известной как фермион Вейля. Когда-то считалось, что это элементарная частица нейтрино. Спустя почти столетие, в 2015 году, фермион Вейля был, наконец, открыт в реальности, и с тех пор физики начинают не только понимать его, но и находить потенциальные возможности его использования. Команда, включающая исследователей из лаборатории под руководством профессора Сатору Накацудзи (Satoru Nakatsuji) из Института физики твердого тела и физического факультета Токийского университета, нашла способ использовать фермионы Вейля для создания современных устройств памяти.

«Спинтроника - это слово, которое может взволновать тех, кто интересуется будущим технологий. В целом это то, что может заменить и заменить многие электронные функции в современных устройствах, - пояснил научный сотрудник Томоя Хиго (Tomoya Higo). - Некоторое время назад ферромагнитные материалы, магниты, которые ведут себя знакомым образом, использовались для исследования спинтронных явлений. Но для этой цели существует лучший класс магнитных материалов, называемых антиферромагнитными материалами, с которыми труднее работать, но у которых много преимуществ».

Антиферромагнетики являются интересными материалами, поскольку они предлагают исследователям множество полезных свойств, которыми обладают ферромагнитные материалы, но они менее подвержены воздействию внешних магнитных полей благодаря уникальному расположению их составных частей. Это является преимуществом при работе с запоминающими устройствами, поскольку важны точность и надежность, но это специальное устройство также затрудняет манипулирование материалом по мере необходимости.

«Было совершенно не очевидно, можете ли вы управлять антиферромагнитным состоянием простым электрическим импульсом, как ферромагнитным, - сказал Накацудзи.

Именно здесь вступают в игру вышеупомянутые фермионы Вейля.
«В нашем образце (антиферромагнитный сплав марганец-олово Mn3Sn) фермионы Вейля существуют в точках Вейля в импульсном пространстве (не физическое пространство, а математический способ представления импульсов частиц в системе). Эти точки Вейля имеют два возможных состояния, которые могут представляют двоичные цифры, - пояснил докторант Ханьшень Цай (Hanshen Tsai). - Наш прорыв обнаружил, что мы можем переключать точку Вейля между этими состояниями с помощью внешнего электрического тока, приложенного к соседним тонким слоям Mn3Sn либо платины, либо вольфрама. Этот метод называется переключением крутящего момента при вращении».

«Наше открытие указывает на то, что безмассовый фермион Вейля, преследуемый физиками, был обнаружен в нашем магните, и, кроме того, им можно управлять электрически», - добавил Накацудзи.

Благодаря очень большому сигналу, генерируемому фермионами Вейля в Mn3Sn, возможно обнаружение переключения крутящего момента при вращении. Частота переключения, которая соответствует тому, как быстро память, основанная на такой технологии, может быть записана или считана, находится в диапазоне триллионов раз в секунду, или терагерцевом диапазоне. Современная высокопроизводительная компьютерная память переключается несколько миллиардов раз в секунду, или гигагерц. Таким образом, когда это будет реализовано, это может привести к резкому скачку производительности, но это еще впереди.

«В нашем исследовании возникли две большие проблемы. Одна из них заключалась в оптимизации синтеза тонких пленок Mn3Sn. Другая - в выяснении механизма переключения, - сказал Хиго. - Мы взволнованы не только потому, что обнаружили некоторые интересные явления, но и потому, что можем ожидать, что наши выводы могут найти важные применения в будущем. Создавая новые материалы, мы обнаруживаем новые явления, которые могут привести к появлению новых устройств. Наши исследования полны мечтаний».

Диаграмма точек Вейля, показывающая, как управляются точки Вейля