Найден способ в разы ускорить работу компьютерной памяти

storage
мобильная версия

Исследователи добились прорыва в разработке веллитронных устройств. Ожидается, что благодаря последним открытиям в скором времени устройства хранения данных и компьютеры в целом смогут работать в разы быстрее, чем сейчас.


Веллитроника ускорит работу компьютерной памяти

Ученые из Массачусетского технологического университета разработали способ сделать работу устройств хранения данных и компьютерных логических систем более быстрой и эффективной благодаря новому способу настройки уровней электрической энергии в двумерных кристаллах. Это открытие в будущем может стать основой для разработки так называемых веллитронных устройств, в которых электроны собираются вокруг двух равных энергетических состояний. Веллитроника — передовое направление электроники, рассматривающее вопросы избирательного управления электронами для достижения различных задач. Наиболее приоритетная из них — создание более быстрых систем компьютерной логики и чипов хранения данных.

Уже в течение некоторого времени технологи говорят о том, что человечество достигает предельно малых размеров обычных электронных транзисторов, основанных на электрическом заряде электронов. Из-за этого ряд исследователей начали работать в сфере изучения свойства электронов, известных как квантовые спины, в контексте хранения и управления данными. Технологии данного вида относятся к спинтронике.

Обычные транзисторы, основанные на электрическом заряде электронов, достигли предельно малых размеров

Как отмечают ученые, электроны в материалах также имеют еще одну степень свободы, называемую «долинным индексом» (valley index). Она носит такое название, потому что построение энергии электронов относительно их импульса приводит к графику, состоящему из кривой с двумя долинами, которые заполняются электронами при их движении через материал. Использование этой степени свободы может позволить хранить и обрабатывать информацию в некоторых материалах путем выборочного заполнения двух долин электронами.

Ученые добились прорыва в веллитронике

Впрочем, говорится в исследовании, для разработки такого рода веллитронных устройств требуется система выборочного управления электронами внутри двух долин, что до сих пор казалось трудно достижимым. Однако в статье, опубликованной в журнале Science, исследователи под руководством Нуха Гедика (Nuh Gedik), адъюнкт-профессора физики в Массачусетском технологическом институте, описывают новый способ использования лазерного света для управления электронами в обеих долинах независимо, в атомарно тонких кристаллах дисульфида вольфрама.

«Две долины находятся на одном энергетическом уровне, что необязательно хорошо для приложений, потому мы должны иметь возможность настраивать их, немного изменяя энергию, чтобы электроны двигались от более высокого к более низкому энергетическим состояниям», — отметил Гедик. Хотя это может быть достигнуто применением магнитного поля, даже очень мощные лабораторные магниты с силой 10 тесла способны лишь сдвинуть уровень энергии долины примерно на 2 миллиэлектронвольт (мэВ).

Ранее исследователи показали, что, направляя сверхбыстрый лазерный импульс, настроенный на частоту, которая незначительно ниже резонанса материала, возможно сдвинуть энергию одной из долин с помощью эффекта, называемого «оптическим эффектом Штарка», в то же время оставив другую долину практически неизменной. Таким образом, они смогли добиться сдвига уровня энергии до 20 мэВ.

«Свет и электроны внутри материала образуют гибридное состояние, которое помогает вытеснять энергетические уровни», — пояснил Гедик. В ходе последнего эксперимента исследователи обнаружили, что, настраивая частоту лазера еще ниже резонанса и увеличивая его интенсивность, они смогли одновременно сдвинуть энергетические уровни обеих долин и выявить очень редкое физическое явление: в то время, как одна долина по-прежнему сдвигается в результате оптического эффекта Штарка, вторая долина смещается по другому механизму, известному как «сдвиг Блоха-Зигерта». Хотя сдвиг Блоха-Зигерта был впервые предсказан в 1940 г. и вскоре помог вдохновить Уиллиса Лэмба (Willis Lamb) на открытие в 1955 г. сдвига Лэмба в атомах водорода, наблюдать его экспериментально в твердых телах все это время было почти невозможно.

Как пишут исследователи, кроме так называемых искусственных атомов, новый механизм никогда не наблюдался в твердых телах до сих пор, потому что полученные сдвиги были слишком малы. Эксперимент, проведенный в лаборатории Гедика, дал сдвиг Блоха-Зигерта в 10 мэВ, что в 1000 раз больше, чем наблюдалось ранее.