В современной вычислительной технике данные кодируются при помощи электрического тока, протекающего через элементы электронных цифровых схем. Такой подход является главным фактором, ограничивающим дальнейшее увеличение производительности электроники, и определяющим достаточно высокий уровень потребления ею энергии. Но существует еще один метод кодирования данных, в котором используется электрическое поле, воздействующее на магнитные компоненты через слой изолятора. Такое воздействие производится без протекания электрического тока и это все происходит намного быстрее, без существенных затрат энергии, и при помощи таких технологий можно будет создавать вычислительные системы, практически не требующих времени для их загрузки.
Основой нового устройства памяти является феррит висмута, материал, обладающий уникальным набором свойств. Во-первых, этот материал является магнитным материалом, имеющим свое собственное магнитное поле. Во-вторых, этот материал является сегнетоэлектриком, т.е. поляризация его магнитного поля может быть «переключена» при помощи воздействия электрического поля. Такое совмещение свойств является достаточно редким случаем, ведь с физической точки зрения механизмы, стоящие позади этих свойств, должны подавлять друг друга.
Вышеупомянутая комбинация свойств феррита висмута делает его материалом из семейства мультиферроиков (multiferroic), исследования которых ведутся достаточно интенсивно в течение последнего десятилетия. Уже в 2003 году исследователями из Калифорнийского университета в Беркли была разработана технология изготовления тонкопленочных мультиферроиков на базе феррита висмута, подходящая для условий массового производства и делающая этот материал подходящим для использования в электронной промышленности.
Большая часть мультиферроиков может использоваться в качестве основы для создания устройств энергонезависимой памяти и программируемых матриц логических элементов, имеющих достаточно простую структуру. Однако, во время всех предыдущих исследований мультиферроики надежно работали лишь при сверхнизких температурах порядка 3-4 градусов по шкале Кельвина. «Физика работы этих материалов была захватывающей, но для практического использования эти материалы были бесполезны» — рассказывает профессор Даррелл Шлом, — «Новый материал на основе феррита висмута работает при комнатной температуре, и он является первым материалом-мультиферроиком, на который можно смотреть с точки зрения его практического использования в электронике».
Ключом к использованию феррита висмута стали исследования, которые позволили ученым в тонкостях разобраться в динамике переключения магнитных свойств этого материала. Ученые выяснили, что существуют два метода переключения, один метод работает за один этап, а второй метод переключает магнитные свойства материала за два шага. Ранее ученые использовали только первый метод, который не обеспечивает стабильного результата. Именно поэтому были сделаны выводы о невозможности практического использования материалов-мультиферроиков. Новый же двухэтапный метод, обеспечивающий надежное переключение материала, прост в реализации и релевантен с технологической точки зрения.
Но у ученых имеется еще масса работы, которую им необходимо проделать. Во-первых, пока им удалось создать только одну ячейку энергонезависимой магнитоэлектрической памяти, а для создания массивов компьютерной памяти потребуются матрицы из миллиардов подобных устройств. Кроме этого, ученым потребуется найти метод увеличения длительности хранения информации в памяти нового типа. Но все, чего им удалось достигнуть на сегодняшний день, указывает на то, что они движутся в правильном направлении.