Approaching The Terahertz Regime: Room Temperature Quantum Magnets Switch States Trillions Of Times Per Second

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

หน้าแรก > ข่าวประชา > เข้าใกล้ระบอบเทราเฮิรตซ์: แม่เหล็กควอนตัมอุณหภูมิห้องสลับสถานะหลายล้านล้านครั้งต่อวินาที

ภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูงของจุดแยกแอนติเฟอโรแมกเนติกแสดงชั้นของวัสดุต่างๆ (ซ้าย) แผนภาพแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุ (ขวา) เครดิต
©2023 นาคัตสึจิและคณะ

นามธรรม:
คลาสของอุปกรณ์หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนที่เรียกว่า MRAM ซึ่งทำจากวัสดุแม่เหล็กควอนตัมสามารถนำเสนอประสิทธิภาพที่เหนือกว่าอุปกรณ์หน่วยความจำที่ทันสมัยในปัจจุบันนับพันเท่า ก่อนหน้านี้มีการสาธิตวัสดุที่เรียกว่าแอนติเฟอโรแมกเนตเพื่อจัดเก็บสถานะหน่วยความจำที่เสถียร แต่ยากต่อการอ่าน การศึกษาใหม่นี้ปูทางที่มีประสิทธิภาพสำหรับการอ่านสถานะของหน่วยความจำ โดยมีศักยภาพที่จะอ่านได้อย่างรวดเร็วอย่างไม่น่าเชื่อเช่นกัน

เข้าใกล้ระบอบเทราเฮิรตซ์: แม่เหล็กควอนตัมอุณหภูมิห้องสลับสถานะหลายล้านล้านครั้งต่อวินาที

โตเกียว ญี่ปุ่น | โพสต์เมื่อวันที่ 20 มกราคม 2023

คุณสามารถกระพริบตาได้ประมาณสี่ครั้งต่อวินาที คุณสามารถพูดได้ว่าความถี่ของการกะพริบนี้คือ 4 เฮิรตซ์ (รอบต่อวินาที) ลองนึกภาพการพยายามกระพริบตา 1 พันล้านครั้งต่อวินาที หรือที่ความเร็ว 1 กิกะเฮิรตซ์ มนุษย์คงเป็นไปไม่ได้ แต่นี่คือลำดับความสำคัญในปัจจุบันที่อุปกรณ์ดิจิทัลระดับไฮเอนด์ร่วมสมัย เช่น หน่วยความจำแม่เหล็ก เปลี่ยนสถานะเมื่อดำเนินการ และผู้คนจำนวนมากต้องการผลักดันขอบเขตให้ไกลออกไปอีกพันเท่า สู่ระบอบการปกครองของล้านล้านครั้งต่อวินาที หรือเทราเฮิรตซ์

อุปสรรคในการทำให้อุปกรณ์หน่วยความจำเร็วขึ้นอาจเป็นวัสดุที่ใช้ ชิป MRAM ความเร็วสูงในปัจจุบันซึ่งยังไม่ปรากฏทั่วไปในคอมพิวเตอร์ที่บ้านของคุณ ใช้วัสดุแม่เหล็กทั่วไปหรือวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้า อ่านค่าเหล่านี้โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า Tunneling Magnetoresistance สิ่งนี้ต้องการองค์ประกอบแม่เหล็กของวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะจัดเรียงขนานกัน อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงนี้สร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงซึ่งจำกัดความเร็วที่หน่วยความจำสามารถอ่านหรือเขียนได้

ศาสตราจารย์ Satoru Nakatsuji จากภาควิชาฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวกล่าวว่า "เราได้ทำการทดลองที่ล้ำหน้าเกินข้อจำกัดนี้ และต้องขอบคุณวัสดุชนิดต่างๆ ที่เรียกว่า antiferromagnets" “แอนติเฟอโรแมกเนติกแตกต่างจากแม่เหล็กทั่วไปในหลายๆ ด้าน แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราสามารถจัดเรียงแม่เหล็กในลักษณะอื่นที่ไม่ใช่เส้นขนาน ซึ่งหมายความว่าเราสามารถลบล้างสนามแม่เหล็กที่เป็นผลจากการเรียงตัวแบบขนานได้ คิดว่าการทำให้เป็นแม่เหล็กของแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกนั้นจำเป็นสำหรับการเจาะอุโมงค์สนามแม่เหล็กเพื่ออ่านค่าจากหน่วยความจำ อย่างไรก็ตาม ที่น่าประหลาดใจคือ เราพบว่าสารต้านเฟอโรแมกเนติกชนิดพิเศษที่ไม่ใช้แม่เหล็กสามารถเป็นไปได้ และหวังว่าจะสามารถทำงานด้วยความเร็วที่สูงมากได้”

Nakatsuji และทีมของเขาคิดว่าการเปลี่ยนความเร็วในช่วง terahertz สามารถทำได้ และเป็นไปได้ที่อุณหภูมิห้องเช่นกัน ในขณะที่ความพยายามครั้งก่อนต้องใช้อุณหภูมิที่เย็นกว่ามากและไม่ได้ผลลัพธ์ที่คาดหวังเช่นนั้น แม้ว่าในการปรับปรุงแนวคิดนี้ ทีมจำเป็นต้องปรับปรุงอุปกรณ์ของตน และการปรับปรุงวิธีประดิษฐ์อุปกรณ์เป็นกุญแจสำคัญ

“แม้ว่าองค์ประกอบระดับอะตอมของวัสดุของเราจะค่อนข้างคุ้นเคย เช่น แมงกานีส แมกนีเซียม ดีบุก ออกซิเจน และอื่นๆ วิธีการที่เรารวมพวกมันเข้าด้วยกันเพื่อสร้างส่วนประกอบหน่วยความจำที่ใช้งานได้นั้นเป็นเรื่องแปลกใหม่และไม่คุ้นเคย” นักวิจัย Xianzhe Chen กล่าว “เราปลูกผลึกในสุญญากาศในชั้นที่ละเอียดอย่างไม่น่าเชื่อโดยใช้สองกระบวนการที่เรียกว่าการทำให้อนุภาคของลำแสงโมเลกุลและการสปัตเตอร์ด้วยแมกนีตรอน ยิ่งสุญญากาศสูง ตัวอย่างที่เราสามารถเติบโตก็ยิ่งบริสุทธิ์ เป็นขั้นตอนที่ท้าทายอย่างยิ่งและหากเราปรับปรุงให้ดีขึ้น เราจะทำให้ชีวิตของเราง่ายขึ้นและผลิตอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วย”

อุปกรณ์หน่วยความจำต้านคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์ควอนตัมที่เรียกว่าสิ่งกีดขวาง หรือการโต้ตอบในระยะไกล แต่อย่างไรก็ตาม งานวิจัยนี้ไม่ได้เกี่ยวข้องโดยตรงกับสาขาคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีชื่อเสียงมากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม นักวิจัยแนะนำว่าการพัฒนาเช่นนี้อาจมีประโยชน์หรือจำเป็นต่อการสร้างสะพานเชื่อมระหว่างกระบวนทัศน์ปัจจุบันของคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์กับสาขาใหม่ ๆ ของคอมพิวเตอร์ควอนตัม

เงินทุน:
งานนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยโปรแกรม JST-Mirai (หมายเลข JPMJMI20A1), โปรแกรม ST-CREST (หมายเลข JPMJCR18T3, JST-PRESTO และ JPMJPR20L7) และ JSPS KAKENHI (หมายเลข 21H04437 และ 22H00290)

####

เกี่ยวกับมหาวิทยาลัยโตเกียว
มหาวิทยาลัยโตเกียวเป็นมหาวิทยาลัยชั้นนำของญี่ปุ่นและเป็นหนึ่งในมหาวิทยาลัยวิจัยชั้นนำของโลก ผลงานวิจัยจำนวนมหาศาลของนักวิจัยกว่า 6,000 คนได้รับการตีพิมพ์ในวารสารชั้นนำของโลกในด้านศิลปะและวิทยาศาสตร์ กลุ่มนักศึกษาที่มีชีวิตชีวาของเราซึ่งมีนักศึกษาระดับปริญญาตรีประมาณ 15,000 คนและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา 15,000 คน รวมถึงนักศึกษาต่างชาติมากกว่า 4,000 คน ค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ www.u-tokyo.ac.jp/en/ หรือติดตามเราบน Twitter ที่ @UTokyo_News_en

สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมกรุณาคลิก โปรดคลิกที่นี่เพื่ออ่านรายละเอียดเพิ่มเติม

ติดต่อ:
ติดต่อสื่อ

โรฮัน เมห์รา
มหาวิทยาลัยโตเกียว
ติดต่อผู้เชี่ยวชาญ

ศาสตราจารย์ ซาโตรุ นาคัตสึจิ
มหาวิทยาลัยโตเกียว

ลิขสิทธิ์ © มหาวิทยาลัยโตเกียว

หากคุณมีความคิดเห็นโปรด ติดต่อ เรา

ผู้ออกข่าวประชาสัมพันธ์ไม่ใช่ 7th Wave, Inc. หรือ Nanotechnology Now มีหน้าที่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของเนื้อหา แต่เพียงผู้เดียว

บุ๊คมาร์ค: