Атомарный переворот удваивает битность?

Система развивается в соответствии со сложным энергетическим ландшафтом — подобно тому, как мяч катится по сложной поверхности. Источник.

Как известно, переключение битов в памяти компьютера происходит исключительно между двумя его состояниями. Таким образом, если вы «щёлкните тумблером» бита один раз, то следующий такой щелчок вернёт его в исходное значение. Пресловутые «0 и 1» выступают в этом случае аналогами эффекта от работы выключателя и лампочки, которая либо светит, либо нет. Только два состояния, третьего не дано, но… научились же мы регулировать световой поток.

Так вот теперь и с битами не всё стало столь однозначно. Точнее – не столь двузначно. Команда учёных из Венского технического университета обнаружила удивительный эффект в кристалле на основе оксидов гадолиния и марганца: атомному переключателю, образовавшемуся в нём, потребовалось два цикла переключений «туда-сюда» для достижения исходного состояния. Другими словами, в начальную точку вас вернёт не второе, а только четвёртое переключение. Это значит, что к рядовому выбору 0 или 1 добавилось ещё два бита промежуточных значений на единицу пространства кристалла.

Учёные говорят, что во время этого двойного процесса включения и выключения спин атомов гадолиния совершает один полный оборот. И, в качестве иллюстрации механики процесса, приводят в сравнение метод преобразования прямолинейного движения в траекторию окружности на примере коленчатого вала обычного двигателя, где возвратно-поступательный ход поршня вверх-вниз инициирует круговое движение колена вокруг оси самого вала.

По некоторым данным, название бит для единицы информации наука использует с середины прошлого века, чем обязано американскому математику Джону Тьюки, который в 1946 ввёл в обиход это сокращение от binary digit – «двойной знак» или, что куда привычнее, «двоичный код» (кстати, слово «software» – программное обеспечение – тоже его рук дело). То есть вся сегодняшняя компьютерная отрасль (да чего уж там – вся наша цифровая цивилизация) построена на битовых значениях 0 и 1. И вот теперь, спустя 70 лет развития, когда мы уже не грезим о квантовых компьютерах, а вплотную заняты их разработкой, возможности удваиваются. Конечно, это новое явление открывает интересные возможности в плане физики материалов, но обывателю современного мира, целиком завязанного на информационных технологиях, куда важнее пригодность таких систем к хранению данных. Однако, обо всём по порядку.

Связь электрических и магнитных свойств

Обычно различают электрические и магнитные свойства материалов. Если упростить, то основой электрических свойств является движение носителей заряда. Например, проходящие через металл – как обычно представляется – электроны, или ионы, положение которых смещено, и создают то самое электричество.

Магнитные же свойства тесно связаны со вращением атомов: собственный угловой момент частицы может указывать в очень определенном направлении, что и принято считать направлением поля. Например, ось вращения Земли указывает определенное направление защищающего нас магнитного поля планеты, идущего от северного магнитного полюса к южному магнитному (однако, представляя эти силовые линии, стоит помнить, что географически это выглядит ровно наоборот, поскольку южный магнитный полюс расположен на географическом севере, а северный магнитный – на юге).

Итак, источники этих грандиозных явлений разнятся в своей природе, но существуют материалы, в которых электрические и магнитные свойства связаны очень тесно. Вот этими-то веществами и занимаются Профессор Андрей Пименов и его команда из Института физики твёрдого тела Технического университета Вены, открывшие этот четырёхтактный переключатель спина. 

«Мы воздействовали на специальный материал из гадолиния, марганца и кислорода магнитным полем и измеряли, как при этом менялась его электрическая поляризация, – рассказывает учёный. – Мы хотели проанализировать, как электрические свойства материала могут изменяться под действием магнетизма. И, что удивительно, мы столкнулись с совершенно непредвиденным поведением».

Вернуться к началу за четыре шага

Предварительно поляризованный материал (с одной стороны он стал электрически положительным, а с другой – отрицательным) подвергли магнитному воздействию. Так вот, при первом включении сильного магнитного поля, поляризация изменилась очень мало. Однако выключение поля спровоцировало – как говорят сами исследователи – драматические изменения: полюса поменялись местами. То есть буквально: сторона, которая раньше была положительно заряжена, стала отрицательной, и наоборот.

Как и всякий человек, столкнувшийся с ситуацией, когда наши действия вызывают нечто, чего мы не понимаем, но очень хотим понять, господа учёные решили повторить эксперимент. Новое включение поля почти не оставило следов на электрической поляризации, сохранив её приблизительно постоянной. Но вот повторное выключение магнитного воздействия снова изменило поляризацию, вернув полюса в исходное состояние – до начала экспериментов.

«Это чрезвычайно примечательно, – говорит профессор Пименов. – Мы выполняем четыре разных шага, каждый раз материал меняет свои внутренние свойства, но поляризация меняется только дважды, поэтому вы достигаете исходного состояния только после четвёртого шага».

Четырёхтактный двигатель на гадолинии

Более тщательное изучение показывает, что за обнаруженный эффект ответственны атомы гадолиния: они меняют направление своего вращения на каждом из четырёх шагов. Причём, это однонаправленный полный оборот с шагом около 90 градусов за раз для каждого поворачивающегося спина. 

«В каком-то смысле это четырёхтактный двигатель для атомов, – говорит Андрей Пименов. – В четырёхтактном двигателе также требуется четыре шага, чтобы вернуться в исходное состояние — и цилиндр [поршень] при этом дважды перемещается вверх и вниз. В нашем случае магнитное поле дважды перемещается вверх и вниз, прежде чем восстанавливается начальное состояние, и спин атомов гадолиния снова указывает в исходном направлении».

Вследствие способности к повышению энергоэффективности устройств магнитной памяти и обработки данных, изучение увеличения электрического контроля магнетизма и магнитного контроля сегнетоэлектричества (или возникновения спонтанной поляризации в кристалле даже в отсутствии внешнего электрического поля) ведётся не прекращаясь. Однако необходимое магнитоэлектрическое переключение довольно труднодостижимо и требует куда более сложных условий, чем просто связи между спиновыми и зарядовыми степенями свободы.

А вот перспектива использовать для хранения информации описанную систему – не только весьма соблазнительна, но и (хотя бы теоретически) вполне реальна. По сути, материалы, обладающие свойствами четырёх возможных состояний, наделяют свою систему двухбитовой ёмкостью хранения на переключатель вместо обычного одного бита информации. С другой стороны – уже можно сказать, что полученный эффект особенно интересен для сенсорной техники: с его помощью, например, можно создать счётчик магнитных импульсов. 

Но помимо прикладного применения, этот феномен раскрывает новые данные, важные для продвижения теоретических изысканий, фактически представляя собой ещё один пример так называемого «топологического эффекта» – магнитотранспортного явления в физике твёрдого тела, уже много лет привлекающего большое внимание. Это странное поведение атомного спина должно способствовать развитию научных исследований на ниве создания новых, доселе невиданных материалов, обладающих потрясающими способностями к метаморфозам.

АРМК, по материалам TU Wien.