Учёные проложили путь к более быстрым и стабильным чипам

Исследовательская группа из Шанхайского университета Фудань совершила прорыв в изучении класса магнитных материалов, который может помочь проложить путь к созданию более быстрых и энергоэффективных компьютерных чипов и устройств памяти.

Исследование, проведённое Государственной ключевой лабораторией физики поверхности при университете Фудань, было опубликовано в журнале Nature в четверг. Учёные заявляют, что полученные результаты закрывают давний разрыв между теорией и практическим применением антиферромагнитных материалов, которые до сих пор считались слишком сложными для управления в реальных приложениях.

Большинство существующих технологий хранения данных, включая жёсткие диски и магниторезистивную оперативную память (MRAM), полагаются на ферромагнитные материалы. Эти материалы хранят информацию путём переключения направления намагниченности — обычно описываемого как «вверх» и «вниз» — для представления двоичных данных, то есть нулей и единиц.

Однако ферромагнитные материалы имеют присущие им ограничения. Их сильные паразитные магнитные поля делают их уязвимыми для помех, что ограничивает плотность упаковки данных. Они также, как правило, работают медленнее и потребляют больше энергии. Эти проблемы стали серьёзными препятствиями по мере того, как индустрия чипов стремится к созданию более компактных, быстрых и энергоэффективных устройств.

Антиферромагнетики рассматривались как возможная альтернатива. В этих материалах соседние магнитные моменты направлены в противоположные стороны, эффективно компенсируя друг друга. В результате антиферромагнетики практически не создают паразитных магнитных полей, что делает их более стабильными и лучше подходящими для хранения данных с высокой плотностью. Они также могут переключать магнитные состояния гораздо быстрее, чем ферромагнетики, предлагая потенциал для значительного повышения скорости вычислений.

Несмотря на эти преимущества, антиферромагнетики печально известны своей сложностью в управлении. Поскольку у них отсутствует результирующий магнитный сигнал, надёжная запись и считывание информации с них оставалась серьёзной технической проблемой. В результате эксперты отрасли часто отвергали их как научно интересные, но непрактичные для разработки чипов.

Команда университета Фудань заявила, что преодолела это препятствие. Исследователи обнаружили, что особый тип низкоразмерного слоистого антиферромагнетика — представленный материалом тиофосфат хрома (CrPS4) — может предсказуемо переключаться между двумя стабильными магнитными состояниями при приложении внешнего магнитного поля. Это поведение аналогично поведению ферромагнитных материалов, используемых в современных устройствах памяти.

«Это означает, что мы можем точно контролировать магнитное состояние и непосредственно наблюдать его с помощью нашего собственного магнито-оптического микроскопа, что удовлетворяет базовым требованиям для чтения и записи двоичных данных», — сказал профессор физики университета Фудань и соавтор статьи У Шивэй.

Исследователи также предложили чёткий критерий, который может помочь учёным и инженерам определить, какие материалы лучше всего подходят для использования в будущих технологиях чипов и памяти.

Отраслевые аналитики заявили, что этот прогресс может поддержать стремление Китая получить преимущество в технологиях полупроводников следующего поколения, потенциально меняя конкуренцию в глобальном секторе информационных технологий.