Переключения магнетиков между спиновыми состояниями могут передавать логический сигнал, и этим процессом можно заменить перенос электронов в современных процессорах. Ученым из МФТИ и их коллегам из Института элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова и Испании впервые удалось зарегистрировать специфический переход соединения железа между состояниями. Это поможет разработать процессоры и устройства памяти с большим отношением производительности к количеству потребляемой энергии. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Современные процессоры практически достигли предела мощности, который задается фундаментальными свойствами составляющих устройства транзисторов. Для переноса информации и проведения логических операций они используют перенос электронов. Дальнейшее ускорение вычислений требует принципиально нового подхода к разработке компонентов компьютера. В этом способны помочь достижения спинтроники — одной из наиболее перспективных областей микроэлектроники. В основе устройств спинтроники лежит перенос информации посредством взаимодействия магнитных моментов электронов. Для переноса информации при помощи воздействия на магнитные моменты подходят вещества, способные намагничиваться, молекулы которых содержат один или несколько неспаренных электронов. Такие соединения могут быть получены с использованием современных синтетических подходов, обеспечивающих идентичность всех получаемых молекул. При этом их магнитные свойства можно контролировать, регулируя процесс синтеза. С другой стороны, к молекулярным магнетикам предъявляются достаточно жесткие требования, основное из которых — возможность существования их молекул в двух разных состояниях. Переход между возможными состояниями и позволит хранить информацию и проводить логические операции.
Рисунок. Иллюстрация перехода между двумя состояниями. Источник: Aleshin et al. / Angew. Chem. Int. Ed., 2021
Авторы работы исследовали поведение молекулярной системы с двумя ионами двухвалентного железа, каждый из которых может существовать в двух состояниях — высокоспиновом (ВС) и низкоспиновом (НС). В этом случае возможны четыре суммарных состояния (ВС-ВС, НС-НС, ВС-НС и НС-ВС), причем состояния ВС-НС и НС-ВС симметричны друг другу. Оказалось, что переход между ВС-НС и НС-ВС состояниями происходит на микросекундном масштабе времени. Такую динамику исключительно сложно обнаружить из-за симметрии молекул. Для решения этой проблемы ученые применили метод ядерного магнитного резонанса, при котором регистрируется взаимодействие ядерных магнитных моментов с магнитным полем, магнитными моментами неспаренных электронов и друг с другом. Однако авторы наблюдали взаимодействие магнитных моментов ядер с моментами электронов. В этой работе удалось впервые зарегистрировать переход между ВС-НС и НС-ВС состояниями. Он важен для исследователей, которые пытаются разработать новые устройства для сверхплотного хранения информации и ее обработки на основе молекулярных систем.
«Изученные нами системы представляют интерес для создания так называемых молекулярных клеточных автоматов — устройств, потенциально позволяющих создать альтернативную полупроводникам технологию для обработки информации. Автоматы имеют более низкое энергопотребление и тепловыделение, чем современные транзисторы. Элементы таких устройств — ячейки квантовых клеточных автоматов — в идеале должны быть как можно меньше. При этом каждая ячейка должна легко переключаться между двумя эквивалентными состояниями, различающимися только симметрией. Именно такую систему представляют собой изученные нами молекулярные комплексы. Дальнейшие разработки могут привести к созданию устройств, в которых логический сигнал передается не потоком электронов, а за счет одновременного переключения выстроенных в цепочку ячеек автоматов, каждая из которых состоит из одной молекулы. В таком случае энергопотребление электронных схем будет намного меньше классических полупроводниковых устройств, а производительность — выше», — поясняет Валентин Новиков, заведующий кафедрой химической физики функциональных материалов МФТИ, заместитель директора по научной работе ИНЭОС РАН.
