Физики ускорили сверхпроводящую память в сотни раз

Группа учёных из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и МГУ предложила новый тип ячеек памяти на основе сверхпроводников. Такая память может работать в сотни раз быстрее, чем распространенные сегодня типы запоминающих устройств.

"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", — рассказывает ведущий автор исследования, руководитель лаборатории МФТИ Александр Голубов.

Он и его коллеги предлагают делать элементарные ячейки памяти на основе квантовых эффектов в "сэндвичах" сверхпроводник-диэлектрик (или другой материал) — сверхпроводник. 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.

Сегодня контакты Джозефсона используются и в квантовых устройствах, и в классических. Например, на базе сверхпроводящих кубитов построено квантовое устройство D-wave, способное находить минимумы сложных функции с помощью алгоритма квантового отжига.

Как отмечают российские исследователи, сегодня наибольший практический интерес представляют джозефсоновские контакты с использованием ферромагнетиков — в середине "сэндвича". В элементах памяти на их основе информация кодируется в виде направления вектора магнитного поля в ферромагнетике.

Но у таких схем есть два недостатка. Во-первых, невысокая плотность упаковки элементов памяти — на плату нужно наносить дополнительные цепи для подпитки ячеек при считывании или записи информации. Во-вторых, вектор намагниченности нельзя менять быстро, что ограничивает скорость записи.

В чём же состоит отличие предложенной схемы? Российские физики хотят кодировать данные в джозефсоновских ячейках в величине тока сверхпроводимости. Учёные обнаружили, что при определенных 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.

Для переключения системы из "нуля" в "единицу" и обратно учёные предлагают использовать инъекционные токи, протекающие через один из слоёв сверхпроводника. Считывать же состояние предлагается с помощью тока, который проходит через всю структуру. Эти операции требуют в сотни раз меньше времени, чем измерение намагниченности или перемагничивание 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", — отмечает Голубов.

Результаты исследования учёных МФТИ и МГУ были опубликованы в научном журнале Applied Physics Letters.