Информация на «закрученных» атомах: ферроаксиальные материалы как будущее сверхплотной памяти

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Современные способы хранения цифровой информации — от жёстких дисков до твердотельных накопителей — опираются на два фундаментальных принципа: ориентацию магнитных доменов и наличие электрического заряда. Несмотря на десятилетия оптимизации, у этих технологий остаются общие ограничения: чувствительность к внешним воздействиям, утечки заряда и физические пределы миниатюризации. В поиске альтернативы учёные обратились к менее привычным состояниям материи, в том числе к особому внутреннему порядку кристалла, известному как ферроаксиальный порядок.

Откуда в твёрдом теле берутся «электрические вихри»

Чтобы понять суть подхода, необходимо заглянуть внутрь кристаллической решётки. Многие твёрдые материалы состоят из ионов — атомов с положительным или отрицательным зарядом. В ряде кристаллов такие заряды формируют пары, называемые электрическими диполями, где положительный и отрицательный заряд слегка смещены друг относительно друга.

В ферроаксиальных материалах эти диполи не выстраиваются в одну линию, а образуют закрученную структуру, напоминающую микроскопический вихрь. Такая закрутка может иметь только два направления — по или против часовой стрелки, что в физике называется хиральностью. Именно направление закрутки служит логическим состоянием «0» или «1».

В кристалле вихри объединяются в домены — микроскопические области, где все вихри имеют одинаковую хиральность. Каждый домен характеризуется своим ферроаксиальным моментом, который показывает суммарное направление закрутки диполей внутри этой области. Именно ферроаксиальный момент используется для кодирования информации. Домен может иметь размер всего несколько нанометров, что потенциально даёт высокую плотность записи информации.

Примеры материалов с такими доменами включают дисульфид ниобия (NbS₂), титанат бария (BaTiO₃) и некоторые перовскиты редкоземельных элементов.

Ключевая особенность ферроаксиального порядка заключается в том, что он не создаёт внешнего электрического поля, так как все локальные заряды компенсируют друг друга (нулевой суммарный дипольный момент). Благодаря этому соседние ячейки практически не влияют друг на друга, что теоретически позволяет размещать их на расстоянии десятков нанометров и добиваться высокой плотности записи.

Снимки сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), демонстрирующие частицы титаната бария (BaTiO₃). Форма и размер частиц зависят от условий синтеза: концентрации реагентов, температуры и времени. Метод осаждения позволяет получать как сферы размером от нескольких нанометров, так и сложные древовидные (дендритные) структуры, представленные на фото. Цвет добавлен искусственно для повышения контрастности деталей.
Снимки сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), демонстрирующие частицы титаната бария (BaTiO₃). Форма и размер частиц зависят от условий синтеза: концентрации реагентов, температуры и времени. Метод осаждения позволяет получать как сферы размером от нескольких нанометров, так и сложные древовидные (дендритные) структуры, представленные на фото. Цвет добавлен искусственно для повышения контрастности деталей.
Автор: M.T. Buscaglia, ICMATE-CNR Источник: en.wikipedia.org
Структура титаната бария (BaTiO₃). Красные сферы — ионы кислорода, синие — катионы Ti4+, зеленые — ионы Ba2+.
Структура титаната бария (BaTiO₃). Красные сферы — ионы кислорода, синие — катионы Ti4+, зеленые — ионы Ba2+.
Автор: Cadmium Источник: en.wikipedia.org

Управление ферроаксиальными состояниями: эксперимент 2025 года

В октябре 2025 года международная группа физиков из Института Макса Планка по структуре и динамике материи и Университета Оксфорда сообщила о важном экспериментальном прорыве. Учёным удалось не только зафиксировать ферроаксиальные домены, но и управлять их состоянием с помощью света. Результаты были опубликованы в журнале Science.

Для переключения состояния использовались ультракороткие импульсы терагерцового излучения — электромагнитных волн промежуточного диапазона между микроволнами и инфракрасным светом. Эти импульсы воздействуют на коллективные колебания атомов внутри кристалла, которые определяют его механические и тепловые свойства. Проще говоря, свет на несколько триллионных долей секунды (пикосекунд) «раскачивает» атомы, заставляя их перестроиться, не разрушая материал.

Размеры доменов с различной хиральностью, наблюдаемых в эксперименте, составляли от десятков до сотен нанометров, что указывает на возможность создания сверхплотных ячеек памяти.

а. Ферроаксиальный момент — главная характеристика таких материалов. Он показывает, как электрические диполи (заряженные пары атомов) закручиваются вокруг центра. В зависимости от того, вращаются они по часовой стрелке или против, вихрю присваивается «знак» (A+ или A-). На схеме показано, как два соседних-вихря могут иметь противоположное направление вращения.  b. Чтобы «увидеть» эти скрытые вихри, ученые пропускают через кристалл луч света. Под действием электрического поля свет начинает вращаться (эффект электрогирации). Направление, в котором свет поворачивается (угол Ф), напрямую зависит от того, в какую сторону закручен вихрь. Это позволяет буквально сфотографировать данные, записанные в структуре кристалла.
а. Ферроаксиальный момент — главная характеристика таких материалов. Он показывает, как электрические диполи (заряженные пары атомов) закручиваются вокруг центра. В зависимости от того, вращаются они по часовой стрелке или против, вихрю присваивается «знак» (A+ или A-). На схеме показано, как два соседних-вихря могут иметь противоположное направление вращения. b. Чтобы «увидеть» эти скрытые вихри, ученые пропускают через кристалл луч света. Под действием электрического поля свет начинает вращаться (эффект электрогирации). Направление, в котором свет поворачивается (угол Ф), напрямую зависит от того, в какую сторону закручен вихрь. Это позволяет буквально сфотографировать данные, записанные в структуре кристалла.
Автор: T. Hasegawa et al Источник: www.nature.com

Отличия от существующих технологий

В традиционных энергонезависимых типах памяти запись информации связана с перемещением зарядов или магнитных доменов, что требует протекания тока и сопровождается потерями энергии и нагревом. В случае ферроаксиальной записи информация кодируется в геометрии внутреннего порядка кристалла.

Поскольку для переключения состояния не требуется постоянный ток, энергозатраты при записи минимальны, а хранение данных возможно десятилетиями.

Возможные области применения

Пока технология находится на ранней стадии, но потенциальные сценарии применения включают:

  • специализированные вычислительные системы в сильных электромагнитных полях;
  • долговременные энергонезависимые хранилища критически важных данных;
  • оборудование для научных и медицинских установок, где нежелательны утечки заряда и нагрев.

Технологические ограничения и риски

Одним из главных вызовов остаётся считывание состояния вихрей, так как они не создают внешнего поля.

Для этого применяются оптические методы, при которых материал по-разному реагирует на лазерный свет в зависимости от направления внутренней закрутки. На данный момент такие методы требуют сложного лабораторного оборудования.

Существуют и температурные ограничения. Ферроаксиальный порядок стабилен лишь в определённом диапазоне, например до 350 Кельвинов (≈77 °C), что достаточно для бытовой электроники, но может быть ограничением для серверного оборудования без активного охлаждения.

Вывод

Управление ферроаксиальными вихрями демонстрирует принципиально иной подход к хранению информации — запись не «на» материале, а «внутри» кго кристаллической структуры. Это не означает мгновенной замены традиционных накопителей, которые остаются дешёвыми и массовыми.

Тем не менее, исследование закладывает основу для нового класса сверхнадёжных и энергоэффективных устройств хранения данных. В перспективе ближайшего десятилетия ферроаксиальные материалы могут занять свою нишу там, где критична физическая устойчивость информации и минимальные энергозатраты.

Изображение в превью:
Автор: 0xk
Источник: unsplash.com

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему огромный медведь поднимается высоко в горы ради 40 тысяч маленьких бабочек

Гризли может весить несколько сотен килограммов, переворачивать тяжёлые камни и проходить десятки километров в поисках пищи. Казалось бы, такому крупному животному нет смысла обращать внимание...

Как выживает древний город Аль-Хаджара на самом краю отвесной пропасти

Обычно люди любят жить в комфорте, но только не в Йемене. Здесь жители древнего города Аль-Хаджара веками живут в условиях, когда за стенами родного гнездышка простирается отвесная пропасть. Почему...

Киббех: как одно ближневосточное блюдо существует в виде котлет, запеканки и даже сырой закуски

Киббех плохо поддаётся привычному вопросу «как оно выглядит?». В одной тарелке это хрустящие овальные котлеты с мясной начинкой, в другой — запечённый пласт, нарезанный ромбами, в...

Почему слон весом несколько тонн обходит дерево стороной из-за маленьких муравьёв

Африканский слон может обломать толстую ветку, повалить небольшое дерево и добраться до листвы на высоте нескольких метров. Взрослый самец нередко весит пять-шесть тонн. Однако в саваннах Кении...

Обзор портативной акустики W-KING D320

Для прослушивания музыки на природе представлено множество моделей портативных колонок в разных ценовых категориях, что позволяет подобрать вариант с учётом предпочтений и бюджета. В данном обзоре...

Шестнадцать лошадей против вакуума: опыт Отто фон Герике с магдебургскими полушариями

На старой гравюре зрелище больше похоже на ярмарочный номер, чем на физический опыт. Две упряжки по восемь лошадей тянут в противоположные стороны металлический шар. Между ними нет замка, резьбы...