Наука и технологии России

Вход Регистрация

Экономия на инжекционных токах

Группа учёных из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и МГУ имени М.В. Ломоносова разработала принципиально новый тип ячеек памяти на основе сверхпроводников. Такая память может работать в сотни раз быстрее, чем распространённые сегодня типы запоминающих устройств, сообщается в поступившем в редакцию пресс-релизе. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

«Предложенная нами схема работы ячейки памяти не требует затрат времени на процессы намагничивания и размагничивания. Благодаря этому

операции чтения и записи занимают лишь сотни пикосекунд, в зависимости от материалов и геометрии конкретной системы, в то время как традиционные схемы требуют в сотни и даже тысячи раз больше времени», – комментирует ведущий автор исследования Александр Голубов, руководитель лаборатории квантовых топологических явлений в сверхпроводниках МФТИ.

Сверхпроводимость
Схематическое изображение контакта. S – сверхпроводник, I – барьер, F – феромагнетик, N – нормальный металл, заштрихованная область – потенциальный барьер, возникающий в сверхпроводящей зоне. Рисунок: пресс-служба МФТИ

Голубов и его коллеги предлагают делать элементарные ячейки памяти на основе квантовых эффектов в «сэндвичах» сверхпроводник – диэлектрик (или другой материал) – сверхпроводник, предсказанных в 60-е годы XX века британским физиком Брайаном Джозефсоном. Электроны в таких «сэндвичах» (их называют «контактами Джозефсона») могут туннелировать из одного слоя сверхпроводника в другой, проходя сквозь диэлектрик, как мячики пролетают сквозь дырявую стену.

Контакты Джозефсона используются сегодня как в квантовых устройствах, так и в классических. Например, на базе сверхпроводящих кубитов построено квантовое устройство D-wave, способное находить минимумы сложных функции с помощью алгоритма квантового отжига. Также существуют сверхбыстрые аналогово-цифровые преобразователи, детекторы последовательных событий и другие устройства, не требующие быстрого доступа к большим объемам памяти. Были попытки использовать эффект Джозефсона и для создания обычных процессоров. В конце 80-х годов в Японии создали такой экспериментальный процессор. В 2014-м исследовательское агентство IAPRA возобновило попытки создать прототип сверхпроводникового компьютера.

Наибольший практический интерес представляют джозефсоновские контакты с использованием ферромагнетиков в качестве середины «сэндвича». В элементах памяти на их основе информация кодируется в направлении вектора магнитного поля в ферромагнетике. Но у таких схем есть два принципиальных недостатка. Первый – невысокая плотность «упаковки» элементов памяти; на плату нужно наносить дополнительные цепи для подпитки ячеек при считывании или записи информации. Второй – вектор намагниченности нельзя менять быстро, что ограничивает скорость записи.

Группа физиков из МФТИ и МГУ предложила кодировать данные в джозефсоновских ячейках в величине тока сверхпроводимости. Изучая контакты сверхпроводник – нормальный металл/ферромагнетик – сверхпроводник – барьер – сверхпроводник, учёные обнаружили, что при определённых продольных и поперечных размерах слоёв система может иметь два минимума энергии, а значит, находиться в одном из двух различных состояний. Эти два минимума можно использовать для записи данных – нулей и единиц.

Сверхпроводимость
Токи сверхпроводимости при считывании различных состояний ячейки памяти. Чем больше ток – тем больше стрелка. Рисунок: пресс-служба МФТИ

Для переключения системы из «нуля» в «единицу» и обратно учёные предлагают использовать инжекционные токи, протекающие через один из слоев сверхпроводника. Считывать же состояние предлагается с помощью тока, который проходит через всю структуру.

На операции уйдёт в сотни раз меньше времени, чем на измерения намагниченности или перемагничивания ферромагнетика.

«Кроме того, для нашей схемы требуется только один слой ферромагнетика, что позволяет адаптировать её к так называемым одноквантовым логическим схемам, а значит, в создании абсолютно новой архитектуры процессора нет нужды. Компьютер, основанный на одноквантовой логике, может иметь тактовую частоту в сотни гигагерц, при том, что его энергопотребление ниже в десятки раз», – пояснил Александр Голубов.

Источник информации: пресс-служба МФТИ.

Обсуждение