Память будущего: на пути к более быстрому и эффективному хранению данных
Международная исследовательская группа во главе с сотрудником Констанцского университета доктором Давидом Боссини опубликовала в журнале Physical Review Letters исследование в области сверхбыстрого магнетизма антиферромагнетиков, вызванного фемтосекундными лазерными импульсами. Этот эффект может быть использован при создании более быстрых и более энергоэффективных способов хранения информации.
Глобальный спрос на хранение данных постоянно растет — всё популярнее становятся облачные сервисы. Наряду с этим, появляется потребность в ускорении обработки данных.
Чтобы предотвратить грядущий кризис, недостаточно просто наращивать мощности за счет строительства новых современных датацентров. Требуемые технологии должны быть более быстрыми и энергоэффективными, чем традиционные хранилища данных на основе магнитных жестких дисков. Антиферромагнитная память может стать хорошим решением.
Строение антиферромагнетиков
Все в быту сталкивались с ферромагнетиками — например, с самыми обычными магнитами из железа. Магнитные моменты атомов этих материалов ориентированы в одном направлении, следовательно, обладают намагниченностью. У антиферромагнетиков, напротив, магнитные моменты атомов ориентированы антипараллельно. Они компенсируют друг друга, а значит, антиферромагнетики имеют нулевую результирующую намагниченность.
Однако антиферромагнетик поделен на множество меньших областей с единым направлением намагниченности. Такие области называют доменами, а переходные зоны, в которых происходит разворот намагниченности, называют «доменными стенками».
Исследователи описывают, что происходит с антиферромагнетиком под воздействием фемтосекундных лазерных импульсов. Для сравнения — за одну фемтосекунду свет проходит всего 0,3 микрона. Несмотря на такое малое по времени воздействие (10-15 с), фемтосекундный импульс способен изменить магнитное состояние вещества. В работе рассматривался кристалл оксида никеля NiO.
Физики описывают системы взаимодействующих спинов с помощью квазичастиц — магнонов, энергетический спектр которых может быть самым разнообразным. Энергия переносится спиновыми волнами — волнами намагниченности, которым соответствуют магноны по принципу корпускулярно-волнового дуализма.
Эксперименты показали, что магнонные моды терагерцового и гигагерцового диапазонов могут возбуждаться и образовывать магнитоупругую связь в разных доменах при наличии доменных стенок. Способность связывать магнонные моды через доменные стенки подчеркивает возможность передачи энергии в фемтосекундном масштабе.
Технологии хранения данных на основе антиферромагнетиков будут на несколько порядков быстрее и энергоэффективнее существующих. Поскольку материалы не имеют суммарной намагниченности, они также будут менее уязвимы для неисправностей. В отличие от ферромагнитных HDD, в котором возможно сразу управлять намагниченностью, антиферромагнетик нужно предварительно разориентировать. Это сделать сложнее, а значит, информация будет надёжна сохранена.
Как связаны хранилища данных, антиферромагнетики и доменные стенки? Современная инфраструктура не отвечает спросу на энергоэффективные и быстрые устройства, но потенциальное решение уже есть.