Команда ученых из России и Испании впервые зарегистрировала переход между спиновыми состояниями молекулы соединения железа, сообщает пресс-релиз МФТИ. Это первый шаг к созданию процессоров на основе спинтроники – новой области микроэлектроники.
Логические сигналы в современных процессорах передает электрический ток: есть ток электронов – есть сигнал, нет тока – нет сигнала. Состояние «нет сигнала» в процессорах обозначают числом 0, состояние «есть сигнал» – числом 1. Двоичной системой числе 0 и 1 и зашифрована вся информация, которую обрабатывает процессор любого современного компьютера. Но мощности современных компьютеров находятся на пределе их физических возможностей, потому что дальнейшее увеличение мощности требует огромного расхода электроэнергии на вычисления и на охлаждение перегревающихся от текущего по ним электричества микросхем процессоров. Поэтому уже давно ученые и инженеры ищут замену электрическому току на другой, не столь энергоемкий процесс, который может передавать логические сигналы «0» (да) и «1» (нет).
Таким другим процессом, передающим логические сигналы, может быть процесс изменения спина электронов. Спином называют число, которое описывает, как именно вращается элементарная частица вокруг своей оси, ведь все элементарные частицы, включая электроны, вращаются вокруг своей оси. Измерить это свойство можно только если на частицу действует магнитное поле. Важно при этом, что частицы в определенных обстоятельствах могут менять свой спин. И тогда одно состояние спина будет обозначать сигнал «0», а другое состояние спина – сигнал «1». Микроэлектронику на основе изменения спиновых состояний уже назвали спинтроникой.
Ученым из МФТИ с коллегами из Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова и Испании впервые удалось зарегистрировать переход соединения железа между разными спиновыми состояниями. Результаты исследования опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Изменить спиновое состояние электронов вещества можно, воздействуя на магнитные моменты электронов. Значит для таких экспериментов подходят вещества, способные намагничиваться – их молекулы содержат один или несколько неспаренных электронов. Второе требование – молекулы таких веществ должны иметь два разных спиновых состояния. Эти вещества можно синтезировать искусственно, контролируя их магнитные свойства в процессе синтеза.
Команда российских и испанских ученых исследовала поведение молекулярной системы с двумя ионами двухвалентного железа, каждый из которых может существовать в двух состояниях – высокоспиновом и низкоспиновом. Оказалось, что переход между состояниями происходит в течение микросекунд. Переход очень краткий, и его сложно обнаружить из-за симметрии молекул вещества. Поэтому для изучения спинового перехода ученые применили метод ядерного магнитного резонанса и с его помощью впервые зарегистрировали переход между разными спиновыми состояниями синтезированного ими вещества.
«Изученные нами системы представляют интерес для создания так называемых молекулярных клеточных автоматов – устройств, потенциально позволяющих создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации, – рассказывает Валентин Новиков из МФТИ и ИНЭОС РАН, один из авторов работы. – Автоматы имеют более низкое энергопотребление и тепловыделение, чем современные транзисторы. Элементы таких устройств – ячейки квантовых клеточных автоматов – в идеале должны быть как можно меньше. При этом каждая ячейка должна легко переключаться между двумя эквивалентными состояниями, различающимися только симметрией. Именно такую систему представляют собой изученные нами молекулярные комплексы. Дальнейшие разработки могут привести к созданию устройств, в которых логический сигнал передается не потоком электронов, а за счет одновременного переключения выстроенных в цепочку ячеек автоматов, каждая из которых состоит из одной молекулы. В таком случае энергопотребление электронных схем будет намного меньше классических полупроводниковых устройств, а производительность – выше».