Оптичний запис антиферомагнетиків: на порозі створення нового покоління пам'яті та телеком-мереж

Міжнародна група німецьких та японських дослідників здійснила прорив у галузі мікроелектроніки, продемонструвавши можливість прямого запису та зчитування магнітної інформації в антиферомагнетиках виключно за допомогою світла. Новий метод базується на імпульсі (напрямку руху) лазерних пучків. Технологія дозволяє створити надшвидкісні енергоефективні сховища даних та напряму об'єднати оптичні канали зв'язку з магнітними пристроями пам'яті.

Результати дослідження, профінансованого науковими фондами JSPS (Японія) та DFG (Німеччина), були опубліковані в науковому журналі Nature Materials.

Антиферомагнетики - це кристали, у яких мікроскопічні магнітні моменти чергуються в просторі, через що загальна (макроскопічна) намагніченість матеріалу дорівнює нулю. Це робить їх ідеальними кандидатами для пам'яті майбутнього: вони працюють значно швидше за звичайні феромагнетики та не чутливі до зовнішніх завад.

Проте відсутність чистого магнітного поля створювала проблему: у стандартному стані в них неможливо записати бінарні «0» та «1». Досі для цього вимагалося створення складних кристалічних структур (наприклад, де магнітні моменти закручені в кільця за або проти годинникової стрілки), але навіть тоді керувати ними за допомогою звичайних магнітних полів або поляризованого світла було неможливо.

Щоб подолати цю перешкоду, вчені з Центру вивчення емерджентної матерії (CEMS) інституту RIKEN (Японія) та Аугсбурзького університету (Німеччина) вирішили використати не поляризацію світла, а його імпульс - тобто напрямок, у якому рухається хвиля.

Як еталонний матеріал дослідники обрали фосфат літію-нікелю (LiNiPO₄). Ця речовина має властивість так званого оптичного діода: вона сильно поглинає світло в одному напрямку і пропускає його у протилежному. Це пов'язано з потужним зв'язком між напрямком поширення фотонів та антиферомагнітним станом матеріалу.

Для запису дослідники використали потужні фемтосекундні лазерні імпульси. Змінюючи напрямок руху світла (вперед або назад), вони змогли багаторазово перемикати магнітний стан матеріалу в енергонезалежному режимі. Процес не залежить від поляризації світла і не потребує жодних зовнішніх електричних чи магнітних полів. Напрямок руху світла став абсолютно новим параметром керування речовиною.

Спрямовуючи на кристал світло низької інтенсивності, вчені змогли без зусиль зчитувати записані структури довільної форми за допомогою того ж ефекту оптичного діода.

Головна практична цінність відкриття полягає в тому, що лазер, використаний у цьому піонерському дослідженні, працює в телекомунікаційному діапазоні хвиль. Це означає повну сумісність технології із сучасними платформами оптичного зв'язку та оптоволоконними мережами.

Сьогодні в дата-центрах інформація, що передається світлом по кабелях, спочатку перетворюється на електричні сигнали, і лише потім записується на магнітні диски, що призводить до втрат швидкості та колосального виділення тепла. Новий метод дозволяє реалізувати концепцію «писати світлом, зберігати магнетизмом» напряму, минаючи електричний етап.

У перспективі це відкриття дозволить вирішити глобальні соціальні та технічні виклики, радикально знизивши енергоспоживання серверних станцій та телекомунікаційного обладнання по всьому світу завдяки створенню повністю оптичних мереж (all-optical networks).

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI