นักฟิสิกส์ของ MIT ใช้แสงเพื่อควบคุมสนามแม่เหล็กเพื่อสร้างชิปหน่วยความจําที่เร็วขึ้นและมีขนาดเล็กลง

 

นักวิทยาศาสตร์ของ MIT ได้ค้นพบวิธีใหม่ในการควบคุมสถานะแม่เหล็กในวัสดุ ซึ่งอาจปูทางไปสู่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีชิปหน่วยความจํา ทีมงานใช้เลเซอร์เทราเฮิรตซ์ ซึ่งเป็นแหล่งกําเนิดแสงที่สั่นมากกว่าหนึ่งล้านล้านครั้งต่อวินาที เพื่อกระตุ้นเฟสแม่เหล็กที่ทนทานในวัสดุต่อต้านเฟอร์โรแมกเนติก

นักวิจัยประสบความสําเร็จในการเปลี่ยนสปินของอะตอมโดยการปรับเลเซอร์ให้เข้ากับการสั่นสะเทือนของอะตอมของวัสดุ เพื่อให้ได้สถานะแม่เหล็กที่ไม่สามารถบรรลุได้ก่อนหน้านี้

วัสดุต่อต้านเฟอร์โรแมกเนติกซึ่งเป็นที่รู้จักจากสปินอะตอมสลับกันที่หักล้างซึ่งกันและกันมีความยืดหยุ่นต่อการรบกวนของแม่เหล็กภายนอกซึ่งแตกต่างจากเฟอร์โรแมกเนติกแบบดั้งเดิม ทําให้พวกเขาเป็นตัวเลือกที่เหมาะสําหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลที่มีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม ความต้านทานต่อการจัดการแม่เหล็กเป็นอุปสรรคที่มีมานาน ความก้าวหน้าของ MIT แสดงให้เห็นถึงแนวทางที่เป็นไปได้ในการเอาชนะความท้าทายนี้ ซึ่งเป็นก้าวสําคัญในการรวมแอนติเฟอร์โรแมกเนติกเข้ากับชิปหน่วยความจําขนาดกะทัดรัดและประหยัดพลังงาน

ทีมวิจัยนําโดย Nuh Gedik ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของ Donner ที่ MIT ได้สํารวจว่าแสงมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางแม่เหล็กของ FePS3 ซึ่งเป็นวัสดุที่กลายเป็นแอนติเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิต่ํากว่า 118 เคลวิน (-247°F) ในการจัดการสถานะ พวกเขาใช้เลเซอร์เทราเฮิรตซ์ที่ปรับให้ตรงกับความถี่ของการสั่นสะเทือนของอะตอมหรือโฟนอนของวัสดุ

ในของแข็งอะตอมเชื่อมต่อกันด้วยพันธะคล้ายสปริงที่สั่นสะเทือนที่ความถี่ลักษณะเฉพาะ การสั่นสะเทือนเหล่านี้มีอิทธิพลต่อปฏิสัมพันธ์ของสปินอะตอม ด้วยการกระตุ้นโฟนอนด้วยแสงเทราเฮิรตซ์ทีมงานขัดขวางการจัดตําแหน่งสปินที่สมดุลของวัสดุโดยเขยิบให้อยู่ในสถานะที่มีการทําให้เป็นแม่เหล็กสุทธิซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างมากจากลักษณะการทําให้เป็นแม่เหล็กเป็นศูนย์โดยธรรมชาติ

"โดยทั่วไป เรากระตุ้นวัสดุด้วยแสงเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่ยึดวัสดุเข้าด้วยกันโดยพื้นฐาน" Gedik กล่าว "ตัวอย่างเช่น เหตุใดวัสดุนี้จึงเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก และมีวิธีรบกวนปฏิสัมพันธ์ด้วยกล้องจุลทรรศน์จนกลายเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกหรือไม่"

เพื่อทดสอบสมมติฐานของพวกเขา ทีมงานได้ทําให้ตัวอย่าง FePS3 เย็นลงและให้สัมผัสกับพัลส์เทราเฮิรตซ์ที่เกิดจากการแปลงแสงอินฟราเรดใกล้ผ่านผลึกอินทรีย์ จากนั้นพวกเขาตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของแม่เหล็กโดยการวิเคราะห์ตัวอย่างด้วยเลเซอร์อินฟราเรดโพลาไรซ์ การเปลี่ยนแปลงที่ตรวจพบได้ในความเข้มของเลเซอร์ที่ส่งผ่านยืนยันว่าวัสดุได้เปลี่ยนไปเป็นสถานะแม่เหล็กใหม่

น่าทึ่งที่สถานะเหนี่ยวนํานี้คงอยู่เป็นเวลาหลายมิลลิวินาที ซึ่งเป็นระยะเวลาที่ยาวนานเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับช่วงเวลาพิโควินาที (ล้านล้านวินาที) ที่มักสังเกตได้ในการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากแสง หน้าต่างนี้ช่วยให้นักวิจัยมีเวลาเหลือเฟือในการสํารวจคุณสมบัติของสถานะใหม่และระบุวิธีเพิ่มเติมในการควบคุมวัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติก

วัสดุต่อต้านเฟอร์โรแมกเนติกถือเป็นตัวเปลี่ยนเกมที่มีศักยภาพสําหรับการจัดเก็บข้อมูลมานานแล้ว การกําหนดค่าสปินสลับกันสามารถแสดงข้อมูลไบนารี โดยการเข้ารหัสการจัดเรียงหนึ่ง "0" และการเข้ารหัส "1" อีกอันหนึ่ง ข้อมูลนี้จะยังคงมีเสถียรภาพต่ออิทธิพลของแม่เหล็กภายนอก ซึ่งเป็นทางเลือกที่แข็งแกร่งกว่าสําหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บแม่เหล็กที่มีอยู่

"วัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติกมีความแข็งแรงและไม่ได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กจรจัดที่ไม่ต้องการ" Gedik กล่าว "อย่างไรก็ตาม ความแข็งแกร่งนี้เป็นดาบสองคม การไม่ไวต่อสนามแม่เหล็กที่อ่อนแอทําให้วัสดุเหล่านี้ควบคุมได้ยาก"

ความสามารถของทีมในการเปลี่ยนแม่เหล็กป้องกันเฟอร์โรเป็นสถานะใหม่อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้แสงเปิดประตูสู่การใช้งานจริง วัสดุเหล่านี้อาจเป็นพื้นฐานของชิปหน่วยความจํารุ่นต่อไปที่สามารถจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลได้มากขึ้นในขณะที่ใช้พลังงานน้อยลงและใช้พื้นที่น้อยที่สุด

ในขณะที่กลุ่มของ Gedik ยังคงปรับแต่งวิธีการของพวกเขาพวกเขาหวังว่าจะเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากแสงและสํารวจวิธีใหม่ในการปรับแต่งคุณสมบัติต่อต้านเฟอร์โรแมกเนติก ในที่สุดสิ่งนี้อาจนําไปสู่การพัฒนาระบบจัดเก็บข้อมูลหน่วยความจําที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งเปลี่ยนภูมิทัศน์ของการประมวลผลข้อมูลและเทคโนโลยี

ที่มา https://www.nature.com/articles/s41586-024-08226-x