Исследователи кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ продемонстрировали метод управления симметрией кристалла сульфида кадмия с помощью терагерцового излучения. Об исследовании сообзает пресс-служба вуза, результаты опубликованы в Physical Review B.
Современная электроника приближается к фундаментальным пределам по скорости и энергоэффективности, поэтому ученые ищут альтернативные технологии для хранения и передачи информации. Одним из перспективных направлений считается магнитная стрейнтроника — технология, которая использует магнитные материалы для записи данных.
Традиционная реализация требует механического контакта между пьезоэлектриком и магнитным материалом, что ограничивает скорость передачи информации частотами в диапазоне гигагерц. «Мы предложили отказаться от пьезоэлектрика и использовать для управления переполяризацией доменов терагерцовое излучение», — объясняет профессор Федор Потемкин, соавторов исследования.
Терагерцовый диапазон включает в себя резонансы молекулярных и атомных колебаний, позволяя напрямую воздействовать на симметрию кристаллов и анизотропию магнитных свойств материала.
В качестве модельного объекта ученые выбрали кристалл сульфида кадмия (CdS). Для наблюдения изменений симметрии использовался оригинальный метод, сочетающий оптическую технику «накачки-зондирования» и генерацию гармоник высокого порядка. Поскольку кристалл CdS обладает центральной симметрией, генерация четных гармоник (второй, четвёртой и т.д.) в нормальных условиях запрещена. Однако под действием терагерцового импульса симметрия нарушалась, и такие гармоники возникали.
В эксперименте на кристалл направлялся терагерцовый импульс, вызывающий временное изменение симметрии. Через заданный интервал времени следовал оптический импульс, инициирующий генерацию гармоник. Полученное излучение регистрировалось спектрометром, а изменяя временную задержку между импульсами, исследователи смогли проследить динамику процесса. Этот подход они назвали спектрохронографией.
Результаты превзошли ожидания: эффективность генерации оказалась в 10 раз выше по сравнению с предыдущими экспериментами. Более того, впервые была зафиксирована одновременная генерация четных гармоник в разных областях кристалла — вторая в зоне прозрачности CdS, а четвёртая — в зоне поглощения, что указывает на принципиально различные механизмы взаимодействия.
Это успешная проба пера, подтверждающая, что мы движемся в верном направлении. Комбинируя поля в разных спектральных диапазонах, можно гибко управлять структурной динамикой и добиваться максимального быстродействия.
Федор Потемкин, соавторов исследования
Преимущества предложенного метода впечатляют: энергозатраты на запись информации составляют всего 10⁻¹⁸ джоулей, технология устойчива к помехам и обеспечивает переключение на временных масштабах порядка пикосекунд — это в тысячу раз быстрее, чем в современной электронике.
Исследование, объединяющее достижения атомной, твердотельной и лазерной физики, открывает путь к созданию сверхбыстрой энергоэффективной электроники, которая может заменить существующие технологии уже в ближайшие годы.
