Как работает сверхпроводящая память
Российские ученые предлагают делать элементарные ячейки памяти на основе квантовых эффектов в "сэндвичах" сверхпроводник-диэлектрик (или другой материал)-сверхпроводник. Электроны в таких "сэндвичах" (их называют "контактами Джозефсона") могут туннелировать из одного слоя сверхпроводника в другой, проходя сквозь непроводящий диэлектрик, как мячики пролетают сквозь дырявую стену.
Сегодня контакты Джозефсона используются как в квантовых устройствах, так и в классических. Например, на базе сверхпроводящих кубитов построен квантовый компьютер D-wave. Сейчас наибольший практический интерес представляют джозефсоновские контакты с использованием ферромагнетиков в качестве середины "сэндвича". В элементах памяти на их основе информация кодируется в направлении вектора магнитного поля в ферромагнетике. Но у таких схем есть два принципиальных недостатка: во-первых, невысокая плотность "упаковки" элементов памяти (на плату еще нужно наносить дополнительные цепи для подпитки ячеек), а во-вторых, ограниченная скорость записи (вектор намагниченность нельзя менять быстро).
Чем отличается новая схема сверхпроводящей памяти
Российские же физики предложили кодировать данные в джозефсоновских ячейках не в намагниченности, а в величине тока сверхпроводимости. Изучая свою систему, ученые обнаружили, что при определенных размерах "сэндвича" она может иметь два минимума энергии, а значит - находиться в одном из двух различных состояний. Эти два минимума можно использовать для записи данных - нулей и единиц.
Для переключения системы из "нуля" в "единицу" и обратно ученые предлагают использовать токи, протекающие через один из слоев сверхпроводника. Считывать же состояние предлагается с помощью тока, который проходит через всю структуру. Эти операции требуют в сотни раз меньше времени, чем измерения намагниченности или перемагничивания ферромагнетика.
"Кроме того, для нашей схемы требуется только один слой ферромагнетика, что позволяет адаптировать ее к так называемым одноквантовым логическим схемам, а значит в создании абсолютно новой архитектуры процессора нет нужды. Компьютер, основанный на одноквантовой логике, может иметь тактовую частоту в сотни гигагерц, при том, что его энергопотребление ниже в десятки раз", - отметил Голубов.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 15-12-300 и мегагрантом правительства Российской Федерации для поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых № 14Y26.31.0007.