Physiker erstellen Prototypen mit supereffizientem Speicher für zukünftige Computer

Illustration. Energiesparender Speicher. Bildnachweis: @ tsarcyanide / MIPT Pressestelle

Forscher des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und ihre Kollegen aus Deutschland und den Niederlanden haben es geschafft, die Materialmagnetisierung in kürzester Zeit zu minimalen Energiekosten umzuschalten. Sie haben daher einen Prototyp energieeffizienter Datenspeicher entwickelt. Das Papier wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Die rasante Entwicklung der Informationstechnologie erfordert Datenspeicher, die durch Quantenmechanismen ohne Energieverluste gesteuert werden. Die Wartung von Rechenzentren verbraucht mehr als 3% des weltweit erzeugten Stroms, Tendenz steigend. Während das Schreiben und Lesen von Informationen einen Engpass für die IT-Entwicklung darstellt, verbieten die grundlegenden Naturgesetze die Existenz einer schnellen und energieeffizienten Datenspeicherung nicht.

Die zuverlässigste Methode zum Speichern von Daten besteht darin, sie als binäre Nullen und Einsen zu codieren, die den Ausrichtungen der als Spins bezeichneten mikroskopischen Magnete in magnetischen Materialien entsprechen. Auf diese Weise speichert eine Computerfestplatte Informationen. Um ein Bit zwischen seinen beiden Grundzuständen umzuschalten, wird es über einen Magnetfeldimpuls neu magnetisiert. Dieser Vorgang erfordert jedoch viel Zeit und Energie.

Bereits 2016 schlugen Sebastian Baierl von der Universität Regensburg in Deutschland, Anatoly Zvezdin vom MIPT in Russland, Alexey Kimel von der Radboud University Nijmegen in den Niederlanden und der Russian Technological University MIREA zusammen mit anderen Kollegen einen Weg für ein schnelles Spin-Switching im Thulium vor Orthoferrit über T-Strahlen. Ihre Technik zur Remagnetisierung von Speicherbits erwies sich als schneller und effizienter als die Verwendung von Magnetfeldimpulsen. Dieser Effekt beruht auf einem besonderen Zusammenhang zwischen Spinzuständen und der elektrischen Komponente eines Röntgenpulses.

„Die Idee war, den zuvor entdeckten Spin-Switching-Mechanismus als Instrument zu nutzen, um Spins effizient aus dem Gleichgewicht zu bringen und die grundlegenden Einschränkungen der Geschwindigkeit und der Energiekosten beim Schreiben von Informationen zu untersuchen. Unsere Forschung konzentrierte sich auf die sogenannten Fingerabdrücke des Mechanismus bei maximaler Geschwindigkeit und minimaler Energiedissipation “, kommentierte der Co-Autor der Studie, Professor Alexey Kimel, von der Radboud University Nijmegen und MIREA.

In dieser Studie haben wir Spinzustände speziell abgestimmten T-Pulsen ausgesetzt. Ihre charakteristischen Photonenenergien liegen in der Größenordnung der Energiebarriere zwischen den Spinzuständen. Die Impulse dauern Picosekunden, was einem Lichtoszillationszyklus entspricht. Das Team verwendete eine speziell entwickelte Struktur, die aus mikrometergroßen Goldantennen bestand, die auf einer Thuliumorthoferritprobe abgelagert waren.

Infolgedessen entdeckten die Forscher die charakteristischen spektralen Signaturen, die auf ein erfolgreiches Spin-Switching hinweisen, und nur die minimalen Energieverluste, die durch die Grundgesetze der Thermodynamik verursacht werden. Zum ersten Mal war ein Spin-Schalter in nur 3 Pikosekunden und nahezu ohne Verlustleistung abgeschlossen. Dies zeigt das enorme Potenzial des Magnetismus, um die entscheidenden Probleme der Informationstechnologie anzugehen. Nach Ansicht der Forscher stimmen ihre experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Modellvorhersagen überein.

"Die Seltenerdmaterialien, die die Grundlage für diese Entdeckung bildeten, erleben derzeit eine Art Renaissance", sagte Professor Anatoly Zvezdin, Leiter des Labors für magnetische Heterostrukturen und Spintronik am MIPT. „Ihre fundamentalen Eigenschaften wurden vor einem halben Jahrhundert mit wichtigen Beiträgen russischer Physiker, MSU- und MIPT-Alumni untersucht. Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Grundlagenforschung Jahrzehnte nach ihrem Abschluss Eingang in die Praxis findet. “

Die gemeinsame Arbeit mehrerer Forschungsteams hat zur Schaffung einer Struktur geführt, die ein vielversprechender Prototyp zukünftiger Datenspeichergeräte ist. Solche Geräte wären kompakt und in der Lage, Daten innerhalb von Pikosekunden zu übertragen. Wenn Sie diesen Speicher mit Antennen ausstatten, ist er mit On-Chip-Röntgenquellen kompatibel.

Ursprünglich veröffentlicht unter https://mipt.ru.