Ученые открыли новые свойства магнетизма, которые могут изменить наши компьютеры

Наша электроника больше не может уменьшаться в размерах и находится на грани перегрева. Но в новом открытии, сделанном в Университете Копенгагена, исследователи обнаружили фундаментальное свойство магнетизма, которое может стать актуальным для разработки нового поколения более мощных и менее горячих компьютеров.

Продолжающаяся миниатюризация компонентов для компьютеров, в которых транспортным средством для передачи информации служат электроны, стала проблематичной. Вместо этого можно было бы использовать магнетизм и тем самым поддерживать развитие как более дешевых, так и более мощных компьютеров. Такова одна из перспектив, которую ученые из Института Нильса Бора (NBI), Университет Копенгагена, опубликовали сегодня в престижном журнале Nature Communications.

"Работа компьютера заключается в том, что через микрочип пропускается электрический ток. Хотя его количество ничтожно мало, ток не только переносит информацию, но и способствует нагреванию чипа. Когда огромное количество компонентов плотно упаковано, нагрев становится проблемой. Это одна из причин, по которой мы достигли предела того, насколько можно уменьшить размеры компонентов. Компьютер, основанный на магнетизме, позволит избежать проблемы перегрева", - говорит профессор Ким Лефманн, физик конденсированной материи, NBI.

"Наше открытие не является прямым рецептом для создания компьютера на основе магнетизма. Скорее, мы раскрыли фундаментальное магнитное свойство, которое необходимо контролировать, если вы хотите создать такой компьютер".

Квантовая механика останавливает ускорение

Чтобы понять открытие, нужно знать, что магнитные материалы не обязательно ориентированы равномерно. Другими словами, области с северным и южным магнитными полюсами могут существовать рядом друг с другом. Такие области называются доменами, а граница между северным и южным полюсами - доменной стенкой. Хотя доменная стенка не является физическим объектом, она, тем не менее, обладает рядом свойств, подобных частицам. Таким образом, она является примером того, что физики называют квазичастицами, то есть виртуальными явлениями, которые напоминают частицы.

"Хорошо известно, что можно перемещать положение доменной стенки, прикладывая магнитное поле. Первоначально стена будет реагировать аналогично физическому объекту, который находится под действием гравитации и ускоряется до тех пор, пока не столкнется с поверхностью под ним. Однако в квантовом мире действуют другие законы", - объясняет Ким Лефман.

"На квантовом уровне частицы - это не только объекты, но и волны. Это относится и к такой квазичастице, как доменная стена. Волновые свойства означают, что ускорение замедляется по мере того, как стена взаимодействует с атомами в окружающей среде. Вскоре ускорение полностью прекратится, и положение стенки начнет колебаться".

Гипотеза Свизза послужила источником вдохновения

Аналогичное явление наблюдается и для электронов. Здесь оно известно как осцилляции Блоха, названные так в честь американо-швейцарского физика и нобелевского лауреата Феликса Блоха, который открыл их в 1929 году. В 1996 году швейцарские физики-теоретики предположили, что параллель осцилляциям Блоха может существовать в магнетизме. Теперь - чуть более четверти века спустя - Киму Лефману и его коллегам удалось подтвердить эту гипотезу. Исследовательская группа изучала движение доменных стенок в магнитном материале CoCl2 ∙ 2D2O.

"Мы давно знали, что можно будет проверить гипотезу, но мы также понимали, что для этого потребуется доступ к источникам нейтронов. Уникально, что нейтроны реагируют на магнитные поля, несмотря на отсутствие электрического заряда. Это делает их идеальными для магнитных исследований", - рассказывает Ким Лефманн.

Толчок для исследований в области магнетики

Источники нейтронов - это крупномасштабные научные приборы. В мире существует всего около двадцати установок, и конкуренция за время пучка очень жесткая. Поэтому только сейчас команде удалось получить достаточно данных, чтобы удовлетворить редакторов Nature Communications.

"У нас было время работы в NIST в США и ILL во Франции соответственно. К счастью, условия для магнитных исследований значительно улучшатся после ввода в эксплуатацию ESS (European Spallation Source, ред.) в Лунде, Швеция. Не только наши шансы на время пучка станут лучше, поскольку Дания является совладельцем установки. Качество результатов станет примерно в 100 раз лучше, потому что ESS будет чрезвычайно мощным источником нейтронов", - говорит Ким Лефманн.

Чтобы внести ясность, он подчеркивает, что, несмотря на участие квантовой механики, компьютер, основанный на магнетизме, не будет разновидностью квантового компьютера:

"Ожидается, что в будущем квантовые компьютеры смогут решать чрезвычайно сложные задачи. Но даже тогда для более обычных вычислений нам по-прежнему будут нужны обычные компьютеры. Именно здесь компьютеры на основе магнетизма могут стать актуальной альтернативой, поскольку они лучше нынешних компьютеров".