Еще в 1965 году Гордон Мур, один из основателей компании Intel, предрек, что количество электронных компонентов (транзисторов) в микросхемах устройств ежегодно станет удваиваться, и это будет приводить к снижению их стоимости. Однако уже в 1975 году Муру пришлось внести корректировки в собственный прогноз: он увеличил период удвоения количества компонентов в микросхемах с одного года до двух. После этого в течение 30 лет элементы микросхем стабильно уменьшались в размерах. Однако в 2000 году стало ясно, что тенденция к пропорциональному уменьшению приблизилась к своему пределу. В ход пошли новые материалы, позволяющие увеличить емкость каждого транзистора… Но пришло время, и стало ясно, что эти технологии больше не действенны. Так, далеко не просто осуществить процесс фотолитографии, который помогает перенести топологию микросхемы на кремниевую подложку: применяемая сегодня длина световой волны составляет 193 нанометра, что позволяет достичь разрешения в 14 нанометров. В принципе можно использовать и волны меньшей длины, но это усложняет процесс переноса и повышает его стоимость, что, конечно же, является нежелательным.
Даже при условии доработки, говорят эксперты, остается непонятно, до какого предела можно будет уменьшать размеры компонентов. Так, при размере в 2 нанометра один транзистор будет состоять всего из 10 атомов. Вряд ли при таких микроскопических размерах можно будет рассчитывать на его надежную работу. Даже если бы эту проблему удалось решить, такое производство потребовало бы колоссального энергопотребления… Кроме того, уплотнение компоновки транзисторов вело бы к рассеиванию их мощности. Физики из МФТИ и их коллеги попытались решить задачу с помощью так называемых магнонных кристаллов - элементарных составляющих электронных устройств, работающих на спиновых волнах. Отчет об исследовании был опубликован в журнале Advanced Science.
Термин «магноника» возник всего несколько лет назад. Эта область изучает возможность передачи и обработки информации с помощью спиновых волн, или магнонов, - гармонических колебаний ориентации магнитного момента. Эти магнитные моменты электронов и называют спинами.
Специалисты полагают, что у магноники есть ряд преимуществ по сравнению с другой альтернативой уже несколько устаревающей электроники - СВЧ-фотоникой, использующей для передачи сигналов фотоны (электромагнитные волны). Во-первых, уже упомянутыми спиновыми волнами можно управлять посредством внешнего магнитного поля. Во-вторых, длина электромагнитной волны составляет около сантиметра, тогда как длина спиновой волны в том же диапазоне - несколько микрометров. В магнонных кристаллах происходят периодические изменения параметров, влияющих на спиновые волны, таких как толщина пленки, намагниченность, магнитная анизотропия.
В исследованиях кроме экспертов из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ приняли участие сотрудники МИСиС, Института физики твердого тела РАН, МИФИ, Высшей школы экономики, Казанского федерального университета, а также Технологического института Карлсруэ (Германия), Института нанотехнологий MESA и Университета Твенте (Нидерланды). Проект курировали Российский научный фонд и Министерство образования и науки Российской Федерации. Участникам удалось создать образец магнонных кристаллов из ферромагнитных пленок пермаллоя (сплав, в состав которого входит 80% никеля и 20% железа), поверх которых находятся сверхпроводящие структуры из ниобия.
Интересно, что в природе сильное магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости. Однако ситуация меняется, если воздействовать не магнитным полем на сверхпроводники, а наоборот. По этому пути и пошли исследователи, попытавшись воздействовать сверхпроводящими материалами на ферромагнетики.
«Мы исследуем изначально ферромагнитные системы и смотрим, можно ли с помощью сверхпроводников каким-то образом модифицировать их ферромагнитные свойства», - прокомментировал научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Игорь Головчанский.
Выяснилось, правда, что имеются и ограничения: такого рода метаматериалы не могут существовать при комнатной температуре. Для поддержания сверхпроводимости температура должна быть очень низкой. «Традиционно магноника предполагала работу при комнатной температуре, - рассказал Головчанский. - Поэтому раньше ни о какой гибридизации со сверхпроводниками, которые не существуют при комнатной температуре, речи и не шло. К тому же ферромагнетизм традиционно считается сильнее сверхпроводимости и интуитивно не может быть подвержен ее влиянию. Наша лаборатория занимается криогенными системами. И мы себе поставили цель: посмотреть, что можно сделать с магнонными системами при криогенных температурах, заставив их взаимодействовать со сверхпроводниками».
Физики установили систему в криостат, замеряя коэффициент пропускания микроволнового сигнала. Если частота сигнала совпадала с фундаментальными частотами системы, наблюдался так называемый ферромагнитный резонанс. Поскольку экспериментаторам удавалось зафиксировать спектр из двух линий, это означало, что полученная структура состоит из связанных между собой зон с различными ферромагнитными свойствами, модуляция которых происходит под влиянием сверхпроводника.
По мнению авторов разработки, в дальнейшем на основе таких кристаллов станет возможным создавать составные компоненты для процессоров, в том числе квантовых, частотных фильтров, аналогов транзисторов, что позволит делать устройства еще более миниатюрными и компактными, чем сейчас.