Группа ученых из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и МГУ предложила принципиально новый тип ячеек памяти на основе сверхпроводников — такая память может работать в сотни раз быстрее, чем распространенные сегодня типы запоминающих устройств, говорится в статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters. 
 

«Предложенная нами схема работы ячейки памяти не требует затрат времени на процессы намагничивания и размагничивания. Благодаря этому операции чтения и записи занимают лишь сотни пикосекунд, в зависимости от материалов и геометрии конкретной системы, в то время как традиционные схемы требуют в сотни и даже тысячи раз больше времени», — говорит ведущий автор исследования Александр Голубов, руководитель лаборатории квантовых топологических явлений в сверхпроводниках МФТИ.

Схематическое изображение контакта. S - сверхпроводник, I - барьер, F - феромагнетик, N - нормальный металл, заштрихованная область - потенциальный барьер, возникающий в сверхпроводящей зоне.

Он и его коллеги предлагают делать элементарные ячейки памяти на основе квантовых эффектов в «сэндвичах» сверхпроводник — диэлектрик (или другой материал) — сверхпроводник, предсказанных в 1960-е годы британским физиком Брайаном Джозефсоном. Электроны в таких «сэндвичах» (их называют «контактами Джозефсона») могут туннелировать из одного слоя сверхпроводника в другой, проходя сквозь диэлектрик как мячики пролетают сквозь дырявую стену.

Сегодня контакты Джозефсона используются как в квантовых устройствах так и в классических. Например, на базе сверхпроводящих кубитов построено квантовое устройство D-wave, способное находить минимумы сложных функции с помощью алгоритма квантового  отжига. Также существуют сверхбыстрые аналогово-цифровые преобразователи, детекторы последовательных событий и другие устройства, не требующие быстрого доступа к большим объемам памяти.  Были попытки использовать эффект Джозефсона и для создания обычных процессоров. В конце 1980-х в Японии создали такой экспериментальный процессор. В 2014 исследовательское агентство IAPRA возобновило попытки создать прототип сверхпроводникового компьютера.

На сегодня 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 нужно наносить дополнительные цепи для подпитки ячеек при считывания или записи информации, а во-вторых, вектор намагниченности нельзя менять быстро, что ограничивает скорость записи.

Группа физиков из МФТИ и МГУ предложила кодировать данные в джозефсоновских ячейках в величине тока сверхпроводимости. Изучая контакты сверхпроводник-нормальный металл/ферромагнетик-сверхпроводник-барьер-сверхпроводник, ученые обнаружили, что при определенных продольных и поперечных размерах слоев система 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.

Токи сверхпроводимости при считывании различных состояний ячейки памяти. 

Чем больше ток — тем больше стрелка

Для переключения системы из «нуля» в «единицу» и обратно ученые предлагают использовать инъекционные 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.