Лазер без проводов записал магнитную память в антиферромагнетике впервые

Международная группа исследователей из Германии и Японии при участии Университета Аугсбурга впервые показала запись магнитной памяти в антиферромагнитном материале одними лишь ультракороткими лазерными импульсами. Без электрических токов. Без внешнего магнитного поля. Если этот подход удастся масштабировать, он может приблизить память, которую записывает свет, а считывает оптика, к той же телеком-инфраструктуре.

Сам факт «впервые» тут, конечно, важен. Но не только он. Антиферромагнетики давно смотрят как на интересную платформу для памяти и спинтроники: они переключаются очень быстро, почти не реагируют на внешние магнитные помехи и не создают заметного паразитного поля вокруг себя. Проблема в другом: ими трудно управлять. Поэтому между лабораторной демонстрацией и реальным устройством до сих пор лежала довольно широкая щель.

В работе, опубликованной в Nature Materials, исследователи сделали ставку не на поляризацию света, как это часто бывает в магнито-оптических экспериментах, а на направление распространения лазерного импульса. Проще говоря, решающей оказалась геометрия светового пучка. Это позволило переключать магнитные состояния и записывать информацию в материале полностью оптическим способом.

Команда под руководством профессора Иштвана Кесмарки показала и считывание без перехода к электрическому сигналу. Плюс в том, что метод работает в телекоммуникационном диапазоне длин волн. А значит, он совместим с существующей оптоволоконной инфраструктурой и, по крайней мере в теории, может сблизить передачу данных и их хранение в одной оптической цепочке — без лишнего шага со схемой «свет в ток и обратно».

Лазерная запись магнитной памяти

Полностью оптическое переключение магнитного состояния не взялось из воздуха. Еще в 2007 году физики показали, что фемтосекундные лазерные импульсы могут переключать намагниченность в некоторых ферримагнитных материалах, и с тех пор тема разрослась в отдельную ветку магнито-оптики. Но большинство таких экспериментов касалось не антиферромагнетиков, а материалов с более удобным магнитным откликом.

С антиферромагнетиками прогресс тоже был, но в основном через электрическое управление. Один из заметных рубежей пришелся на 2016 год, когда исследователи показали прототип антиферромагнитной памяти с записью током. Это подтвердило, что класс материалов годится для хранения данных. Но другая задача осталась: как обойтись без контактов, лишнего нагрева и ограничений электрической схемы.

И вот тут нынешняя работа выглядит заметно сильнее обычной лабораторной новости. Она бьет сразу по двум слабым местам технологии: по сложности управления и по энергозатратам на запись. В экспериментах ученые формировали внутри материала сложные магнитные узоры и многократно переключали их, не разрушая записанное состояние. Для памяти это базовое условие. Если бит исчезает вместе с каждой попыткой чтения или перезаписи, дальше статьи в журнале дело не идет.

Есть и более широкий фон. Энергопотребление дата-центров растет вместе со спросом на ИИ и облака. По оценкам Международного энергетического агентства, мировые центры обработки данных уже потребляют заметную долю всей электроэнергии, и этот счет в ближайшие годы будет увеличиваться. На таком фоне любая память, которая обещает меньше нагрева и меньше преобразований сигнала, сразу попадает в поле зрения индустрии — даже если до продукта еще далеко.

Коммерческий путь, впрочем, будет непростым. На рынке энергонезависимой памяти уже есть сильные кандидаты, включая MRAM, ReRAM и фазовую память, а сегмент MRAM, по оценкам разных аналитиков, должен вырасти до нескольких миллиардов долларов к концу десятилетия. У антиферромагнитной оптической памяти есть красивый козырь в виде скорости и совместимости с оптикой, но ей еще предстоит доказать плотность записи, долговечность, цену производства и возможность работы вне лабораторного стенда.

Следующий рубеж у этой технологии будет уже не в слове «впервые», а в инженерных параметрах: насколько малы могут быть ячейки, сколько циклов выдержит материал и можно ли встроить такую память в чип без экзотического оборудования. На это обычно уходят годы. Но если запись светом в антиферромагнетике получится перенести из научной установки в прототип, у телеком- и серверного железа появится еще один путь к быстрой энергонезависимой памяти.