メモリを1000倍高速化する研究

コンピュータメモリを1000倍高速化する研究

磁界記録方式よりも高効率な

テラヘルツ波で書き換えを可能に

 

未来のコンピューターは今よりも1000倍ほど速く動作するようになるかもしれません。

欧露の研究チームがNatureに発表した研究によると、"T-Ray"と呼ばれるテラヘルツ波を利用することで、不揮発性メモリーセルの書き換え高速化が可能になるとのこと。

テラヘルツ波は電磁波と赤外線の間の波長をもつ一種の放射線。放射線と言っても人体への影響はないとされ、身近な使用例としては、空港などで使われるボディスキャナーがあります。パッシブ式テラヘルツ波スキャナーはあらゆる物質から発せられるテラヘルツ波を検知し、たとえば衣服の下に爆薬や武器、密輸品などを隠し持っていないかを検出することが可能です。

チームがNatureに発表した研究結果によると、このテラヘルツ波を使えば、磁化によって電源がなくとも情報を保持できる高速なメモリー(おそらくスピントロニクスメモリー素子)の動作を、電磁波を使った場合の約1000倍にまで高速化できるとのことです。

反強磁性体ツリウム・オルトフェライト（TmFeO₃）を使った実験では、従来使われてきた電磁波に比べ10倍の磁界を発生させ、より高速な動作に対応できることが確認されました。

研究では、まだ実際のメモリー素子としての動作実験には至っていません。しかし研究が進み実用化に至れば、いつの日か筐体の中で"T-Ray"が飛び交う超高速PCなども実現するのかもしれません。

Nonlinear spin control by terahertz-driven anisotropy fields

 

Future information technologies, such as ultrafast data recording, quantum computation or spintronics, call for ever faster spin control by light^{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16}. Intense terahertz pulses can couple to spins on the intrinsic energy scale of magnetic excitations^{5, 11}. Here, we explore a novel electric dipole-mediated mechanism of nonlinear terahertz-spin coupling that is much stronger than linear Zeeman coupling to the terahertz magnetic field^{5, 10}. Using the prototypical antiferromagnet thulium orthoferrite (TmFeO₃), we demonstrate that resonant terahertz pumping of electronic orbital transitions modifies the magnetic anisotropy for ordered Fe³⁺ spins and triggers large-amplitude coherent spin oscillations. This mechanism is inherently nonlinear, it can be tailored by spectral shaping of the terahertz waveforms and its efficiency outperforms the Zeeman torque by an order of magnitude. Because orbital states govern the magnetic anisotropy in all transition-metal oxides, the demonstrated control scheme is expected to be applicable to many magnetic materials.

 

a, Spin and lattice structure of TmFeO₃ shown in the Γ₂₄ phase. Green/blue spheres: Tm³⁺/Fe³⁺ ions. Oxygen atoms are not shown, for clarity. The iron spins (blue arrows) form two antiferromagnetically coupled sublattices M₁ and M₂, which are mutually canted by the Dzyaloshinskii–Moriya interaction, giving rise to a weak ferromagnetic moment F = M₁ + M₂. In the Γ₂₄ phase (that is, for 80 K < T < 90 K), the antiferromagnetic vector G = M₁ − M₂ encloses a finite angle 0° < θ₀ < 90° with the x axis. b, Spin reorientation phase transitions. In the Γ₂ phase (T < 80 K), the antiferromagnetic vector G is aligned along the crystallographic z axis, whereas it lies along the x axis above T = 90 K (Γ₄ phase). In the Γ₂₄ phase, G rotates continuously in the x–z plane. c, The crystal field splits the ground state ³H₆ of the rare-earth Tm³⁺ ions into several energy levels with an energy spacing of ∼1–10 meV (schematic level scheme). The corresponding orbital wavefunctions set the magnetic anisotropy for the iron spins in thermal equilibrium (upper panel). Ultrafast transitions between these energy levels resonantly induced by terahertz pulses should exert an abrupt torque on the spins and act as an efficient trigger for coherent spin dynamics (lower panel). The small canting angle is not shown, for clarity.

 

a, Electro-optically detected terahertz transients used to excite magnon/Tm³⁺ resonances in TmFeO₃. b, Amplitude spectrum of the waveform shown in a. Arrows indicate the frequencies of the magnon/Tm³⁺ resonances. c, Schematic of the experiment. The terahertz pump (red) and near-infrared probe pulses (NIR, blue) are collinearly focused onto the TmFeO₃ sample with variable delay time t. Using a λ/2 plate, a Wollaston prism and two balanced photodiodes, terahertz-induced magnetic dynamics in TmFeO₃ are measured by polarization rotation of the probe pulses. d, Resonance frequencies of the q-FM (red circles) and q-AFM (blue triangles) modes in dependence on sample temperature T. Black curves are guides to the eye.

 

  source: Nature