Ученые из России совместно с коллегами из Европы нашли способ создания уникального "невозможного" материала, способного кардинально преобразить будущее вычислительной техники. Этот прорывный материал не полагается на традиционную передачу данных за счет электронов, а использует магноны — особые возбуждения, которые можно представить как волны намагниченности. Благодаря их стараниям открывается путь к эффективным и перспективным устройствам, в которых обработка и транспортировка информации реализуется совершенно новыми принципами.
Магноны — альтернатива электронам в информационных технологиях
В сфере микроэлектроники привычно использовать электрический заряд как носитель информации. В так называемой спинтронике применяют спин электрона — одну из его фундаментальных характеристик. Однако управление спином, особенно при приближенных к обычным температурам условиях, остается трудной задачей. Неустойчивость и сложности в "удержании" спина серьезно ограничивают потенциал современной спинтроники.
Ученые разных стран давно ищут способы обойти эти ограничения. Особый интерес вызывают магноны — коллективные колебания спинов в магнитных материалах. Эти "волны" способны передавать информацию с минимальными потерями и излучением тепла, что делает их привлекательными для формирования новой элементной базы вычислительной техники.
Эксперименты с экстремальными температурами
Как рассказал Игорь Головчанский, научный сотрудник Московского Физико-Технического института, его лаборатория специально занимается исследованиями криогенных систем. Перед собой ученые поставили амбициозную задачу — изучить магнонные системы при сверхнизких температурах и добиться их эффективного взаимодействия с материалами-сверхпроводниками.
Долгое время считалось, что объединить ферромагнитные материалы, ответственные за перенос магнонов, и сверхпроводники невозможно — ведь их физические свойства по своей природе противоположны. Ферромагнетизм обычно оказывается сильнее сверхпроводимости, а потому две эти среды считались несовместимыми в одном устройстве. Но команда Головчанского и профессор Алексей Устинов, работающий в НИТУ МИСиС и знаменитом Технологическом институте Карлсруэ, решили подвергнуть этот стереотип сомнению.
Неожиданные открытия на стыке наук
Исследователи предложили и реализовали уникальный эксперимент: в сверхнизких температурах объединили фрагмент сверхпроводника, напоминающий по структуре расческу, с тонкой фермомагнитной пленкой из сплава никеля и железа. Композит подвергался охлаждению до температуры, близкой к абсолютному нулю. После этого с помощью микроволнового излучения команда наблюдала характер поглощения и спектр материала при разных условиях.
Результаты оказались чрезвычайно обнадеживающими. Анализ показал, что полученный искусственный материал ведет себя как "магнонный кристалл". Именно из таких ячеек в дальнейшем можно формировать новые элементы вычислительных машин, связанных с передачей сигналов на основе исключительно магнитных взаимодействий.
Перспективы для новых устройств и квантовых технологий
Создание подобного гибридного материала открывает совершенно новые горизонты перед разработчиками вычислительных устройств. Несмотря на то что текущие прототипы требуют мощной криогенной техники и пока не готовы к массовому применению, их потенциал огромен. В ближайшем будущем подобные конструкции могут занять свою нишу в квантовых вычислительных системах или послужить основой для улучшенных магнонных кристаллов, которые будут работать при более доступных температурах.
Алексей Устинов и его коллеги ставят перед собой задачу сделать магнонные системы более технологичными и пригодными для интеграции в современные и перспективные электронные схемы. Они уверены, что дальнейшие исследования позволят найти или синтезировать материалы с нужными характеристиками для массовых вычислительных решений нового поколения.
Эстетика эксперимента: визуализация и практический результат
Одной из ярких иллюстраций работы коллектива Игоря Головчанского стали изображения динамики намагничивания гибридных магнонных кристаллов в специальной BV-геометрии. Современные визуализационные методики позволяют детально изучить, как магнонные и сверхпроводящие компоненты влияют друг на друга, и как меняется спектр материала под воздействием микроволн. Такие эксперименты не только красивы с научной точки зрения, но и помогают разобраться в тонких механизмах нового вида вычислений на практическом уровне.
Вклад международного сотрудничества в будущее вычислительных систем
Прорывные работы, проведённые при содействии Московского Физтеха, НИТУ МИСиС и Технологического института Карлсруэ, показывают огромный потенциал объединения российской и европейской научных школ в разработке современных материалов. Гибридные структуры, созданные международной командой, не только подтверждают возможность воплощения ранее "невозможных" идей, но и закладывают основу для дальнейших исследований в области квантовых вычислений, систем на основе магнонов и других смелых технологических решений.
Шаг за шагом исследователи формируют фундамент для устройств будущего, которые откроют перед обществом новые горизонты эффективности и возможностей в обработке информации. Неоспоримым преимуществом этих достижений являются благоприятные перспективы для мировой науки и высокотехнологичного развития.
Источник: scientificrussia.ru
