Учёные Венского университета создали процессор нового типа , который вместо электронов использует магноны – особые квазичастицы для передачи магнитных сигналов. Такой подход поможет справиться с двумя главными проблемами современной электроники – высоким энергопотреблением и чрезмерным выделением тепла, которые сейчас серьёзно ограничивают развитие вычислительной техники.
В обычных схемах информацию переносят электроны, которые движутся по металлическим проводникам. При этом из-за сопротивления материала часть энергии неизбежно рассеивается в виде тепла. Магнонные схемы работают совершенно иначе: они задействуют волны, которые возникают, когда электроны в определённых материалах меняют своё спиновое состояние – собственный момент импульса частицы, который можно представить как вращение электрона вокруг своей оси.
Физический принцип работы магнонных схем основан на коллективном поведении электронов в кристаллической решётке материала. Когда одна частица изменяет ориентацию своего спина под действием внешнего магнитного поля, она создаёт локальное возмущение магнитного порядка. Это возмущение передаётся соседним электронам через обменное взаимодействие – квантовомеханический эффект, при котором спины стремятся выстроиться определённым образом относительно друг друга. В результате по материалу распространяется волна спиновых возбуждений, ведущая себя как отдельная частица – магнон. Такая квазичастица может свободно перемещаться по кристаллической решётке, практически не потребляя электроэнергию и не вызывая нагрева материала.
Доктор Андрий Чумак, лидер исследовательской группы, обращает внимание на универсальность созданного прототипа. Процессор может выполнять различные задачи без дополнительных компонентов. Магнонными волнами удаётся управлять, меняя параметры магнитного поля и геометрию каналов передачи. В роли полосно-заграждающего фильтра устройство блокирует прохождение сигналов определённых частот за счёт интерференции – наложения магнитных колебаний друг на друга. Когда же процессор работает как демультиплексор, он направляет информационные потоки по разным каналам, используя эффект спин-орбитального взаимодействия.
Гибкость особенно важна для сетей связи 5G и 6G, где требуется предельно точно контролировать распределение сигналов при работе на сверхвысоких частотах – от десятков до сотен гигагерц. Чтобы подтвердить заявленные характеристики, учёные проводят комплексные испытания с помощью магнитооптической керровской микроскопии – метода, который позволяет наблюдать за распространением спиновых волн в режиме реального времени.
Конечно, при разработке магнонных схем инженеры сталкивались со сложностями. Одна из них состоит в том, что вручную рассчитать все параметры распространения спиновых волн и их взаимодействия практически невозможно из-за множества нелинейных эффектов.
Поэтому команда применила принципиально иной подход к проектированию – вместо того чтобы пытаться рассчитать все параметры схемы, учёные определили желаемый результат и позволили искусственному интеллекту самому найти способ его достижения. Алгоритмы машинного обучения анализируют миллионы возможных комбинаций: как расположить каналы для передачи магнонных сигналов, какую форму придать магнитным доменам, где разместить управляющие элементы. При этом система учитывает множество факторов – от эффективности передачи сигнала до технологичности производства. В результате удаётся найти такие конфигурации схем, до которых человек, вероятно, никогда бы не додумался самостоятельно.