Ученые Российского квантового центра, МГУ имени М. В. Ломоносова, МПГУ и Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского разработали метод, который может стать основой компактных и быстрых вычислительных систем нового типа. Он позволяет с помощью света создавать магнитный сигнал («спиновые волны») в десятки раз меньше участка, который освещает лазер. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Телефоны, серверы и суперкомпьютеры становятся производительнее во многом благодаря увеличению числа элементов на одном чипе. Но по мере уменьшения транзисторов становится сложнее отводить тепло и сдерживать энергопотребление. Поэтому индустрия исследует альтернативные архитектуры вычислительных систем.
Одной из альтернатив традиционной электронике могут стать устройства, в которых сигнал передается не электрическим током, а спиновыми волнами — колебаниями магнитного состояния вещества. Чем короче такая волна, тем меньше может быть работающий с ней компонент. Свет позволяет запускать спиновые волны очень быстро, однако до сих пор их длину определял размер участка, который освещал лазер.
В эксперименте ученые покрыли магнитную пленку прозрачной нанорешеткой — мелким повторяющимся узором, который работает как шаблон для световых волн и для возбуждаемых ими спиновых. Красный лазер освещал участок диаметром около 7 микрометров, а решетка позволила создать волну длиной всего 0,3 микрометра — примерно в 23 раза меньше. Измерения подтвердили, что спиновая волна распространяется по пленке, а расчеты показали, что ее скорость достигает примерно 1,4 км/с, то есть в десять раз больше скорости длинных волн в том же материале.
«Раньше минимальный размер (длину волны) магнитного сигнала задавал световой луч. Теперь его определяет рисунок нанорешетки, который формирует нужный оптический паттерн («оптическую моду») внутри пленки. Чем мельче этот рисунок, тем короче волна и тем меньше может быть работающий с ней компонент. В эксперименте мы получили спиновую волну длиной 0,3 микрометра, а расчеты показывают, что ее можно уменьшить еще втрое. Дальнейшее уменьшение, в принципе, тоже возможно, но потребует использовать ультрафиолетовый свет. Это открывает возможности для создания более компактных компонентов, передающих и обрабатывающих информацию».
Владимир Белотелов, руководитель научной группы Российского квантового центра, соавтор исследования