Ученые создали новый тип энергонезависимой памяти с переключением светом

Терагерцовый свет может обратимо переключать необычную форму структурного порядка в твердых телах — ферроаксиальность — между часовыми и против часовыми вращательными паттернами. Автор: Йорг Хармс (MPSD)

Ферроэлектрические материалы, такие как ферромагнетики и сегнетоэлектрики, лежат в основе современных систем хранения данных, но имеют ограничения: они медленно переключаются или страдают от нестабильной поляризации из-за деполяризующих полей. Новый класс — ферроаксиальные материалы — избегает этих проблем, создавая вихри диполей с текстурами по часовой стрелке или против часовой стрелки, но их сложно контролировать.

Исследователи из Института структуры и динамики вещества Макса Планка (MPSD) и Оксфордского университета теперь показали, что бистабильные ферроаксиальные состояния можно переключать одиночными вспышками поляризованного терагерцового света. Это обеспечивает сверхбыстрое, управляемое светом и стабильное переключение — платформу для хранения данных следующего поколения. Работа опубликована в журнале Science.

Современное общество зависит от цифровых технологий, где вся информация принципиально кодируется в двоичной системе из 0 и 1. Следовательно, любая физическая система, способная надежно переключаться между двумя стабильными состояниями, в принципе может служить средой для хранения цифровых данных.

Ферроэлектрические материалы — это твердые тела, которые можно переключать между двумя такими стабильными состояниями. Наиболее знакомые примеры — ферромагнетики, которые могут намагничиваться в противоположных направлениях, и сегнетоэлектрики, которые могут удерживать противоположные электрические поляризации. Поскольку эти состояния легко переключаются магнитными или электрическими полями, эти ферроэлектрические материалы широко используются в современных технологиях хранения данных и электронике.

Однако эти системы также имеют недостатки: они уязвимы для внешних воздействий — таких как сильные магнитные поля рядом с жестким диском — и со временем имеют тенденцию к деградации. Это делает поиск альтернативных технологий хранения данных чрезвычайно привлекательным.

Ферроаксиальные материалы — недавнее дополнение к ферроэлектрическому семейству. Вместо магнитных или электрических состояний эти твердые тела содержат вихри электрических диполей, которые могут быть ориентированы в двух противоположных направлениях без создания чистой намагниченности или электрической поляризации. Они очень стабильны и не подвержены влиянию внешних полей, но по той же причине их очень сложно контролировать, что до сих пор ограничивало их исследование.

Исследовательская группа под руководством Андреа Каваллери использовала циркулярно поляризованные терагерцовые световые импульсы для переключения между ферроаксиальными доменами по часовой стрелке и против часовой стрелки в материале под названием димолибдат железа-рубидия (RbFe(MoO₄)₂).

«Мы используем синтетическое эффективное поле, которое возникает, когда терагерцовый импульс заставляет ионы в кристаллической решетке двигаться по кругу», — говорит Чжиян Цзэн, ведущий автор этой работы. «Это эффективное поле способно связываться с ферроаксиальным состоянием, подобно тому, как магнитное поле переключало бы ферромагнетик или электрическое поле изменяло бы сегнетоэлектрическое состояние», — добавляет он.

«Регулируя спиральность или закрученность циркулярно поляризованных световых импульсов, мы можем выборочно стабилизировать вращательное расположение электрических диполей по часовой стрелке или против часовой стрелки», — заявляет соавтор Майкл Фёрст. «Таким образом обеспечивая хранение информации в двух ферроэлектрических состояниях. Поскольку ферроаксиальные материалы свободны от деполяризующих электрических или рассеянных магнитных полей, они являются чрезвычайно перспективными кандидатами для стабильного, энергонезависимого хранения данных».

«Это захватывающее открытие, которое открывает новые возможности для разработки надежной платформы для сверхбыстрого хранения информации», — говорит Андреа Каваллери. «Это также показывает, как циркулярные фононные поля, впервые достигнутые в нашей группе в 2017 году, становятся новым ресурсом для управления экзотическими фазами материалов».

Больше информации: Z. Zeng et al, Photo-induced nonvolatile rewritable ferroaxial switching, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adz5230

Источник: Max Planck Society

Исследования в области энергонезависимой памяти особенно актуальны в 2025 году, когда объемы данных продолжают экспоненциально расти. Терагерцовое излучение, используемое в эксперименте, находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами спектра и считается безопасным для биологических тканей, что открывает перспективы для будущих медицинских применений этой технологии.