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

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.

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.

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.