Данные можно гонять по чипу без тока. Помогла замена одного атома

Каждый, кто держал ноутбук на коленях, знает: работающая электроника греется. Мы привыкли считать это ценой вычислений. Данные бегут по проводам вместе с электронами, а электроны неизбежно отдают тепло. Физики из Национальной лаборатории Эймса Министерства энергетики США показали, что информацию можно нести иначе. Для этого не нужно толкать заряды: достаточно запустить по кристаллу волну. А ещё они нашли материал, в котором такой волной можно управлять почти даром.

Тепло в процессоре — закон природы, а не ошибка инженеров

В 1840-х годах Джеймс Джоуль и Эмилий Ленц независимо друг от друга установили простое правило. Ток, проходя через проводник, выделяет тепло, и это тепло растёт пропорционально сопротивлению и квадрату силы тока. Сегодня это звучит как строчка из учебника. Тогда это было почти ересью: тепло считали особой невесомой жидкостью, теплородом. Джоуль доказал, что тепло — это превращённая работа.

Представьте толпу, которая протискивается по узкому коридору. Люди задевают стены, стены дрожат. Так и электроны в проводе: они сталкиваются с атомами кристаллической решётки и раскачивают их, а это дрожание мы и ощущаем как нагрев. Из закона следует неприятный вывод. Пока информацию несёт движущийся заряд, тепло остаётся обязательным налогом, и избавиться от него можно только одним способом: перестать двигать заряды.

Волна бежит, хотя никто не сходит с места

Вспомните волну на стадионе. Зрители по очереди встают и садятся, и по трибунам несётся гребень. При этом ни один человек не покидает своего кресла. Волна переносит движение, а не людей.

Магнон устроен так же. Магнитный момент каждого атома похож на крошечную стрелку компаса. Если соседние стрелки поворачиваются друг за другом, по кристаллу бежит рябь. Физики называют её квазичастицей: это не отдельный объект, а коллективное колебание множества атомов. Магнон переносит энергию и информацию, но электрический заряд никуда не течёт, поэтому толкаться в коридоре некому.

Есть у магнонов и ещё одно свойство. Волна закручивается, как волчок, по часовой стрелке или против неё. Два направления — готовые «ноль» и «единица». Беда в том, что переключать их долго не удавалось.

Правая и левая волны жили каждая своей жизнью

Для опытов команда Роба Маккуини выбрала ферримагнетики. В этих материалах есть два типа магнитных атомов. Их поля направлены в противоположные стороны и при этом не равны по силе. Поэтому внутри ферримагнетика одновременно существуют и «правые», и «левые» магноны.

Но каждому направлению вращения требовалась своя энергия запуска. Перевести волну из одного состояния в другое было так же непросто, как заставить волчок на ходу крутиться в обратную сторону. Решение исследователи искали в квантовых металлах со структурой кагоме. Их решётка напоминает японское плетение корзин из треугольников и шестиугольников. Сначала физики изучили два почти одинаковых кристалла, и разница между ними оказалась важнее любого сходства.

Один редкоземельный атом заставил волны смешаться

В соединении тербия, марганца и олова правые и левые магноны вели себя как поезда на развязке в два уровня. Пути пересекаются, но поезда друг друга не замечают. Затем тербий заменили на эрбий, его соседа среди редкоземельных элементов. Получился кристалл ErMn₆Sn₆, и картина изменилась.

Теперь волны начали взаимодействовать и смешиваться. Их полярность стала зависеть от импульса: одна и та же ветвь колебаний оказывается то «правой», то «левой». Граница между двумя состояниями размылась, а значит, между ними можно перейти без большого скачка энергии. Физики включили внешнее магнитное поле и плавно переключали направление волн, затратив на это ничтожно мало энергии.

Это главный поворот всей истории. Замена одного типа атомов превратила две изолированные дороги в перекрёсток со стрелкой, которую можно переводить лёгким касанием.

Читайте также: Галактики разбегаются, значит у Вселенной было начало. Но центра нет

До готового чипа ещё далеко

Важно не переоценить результат. Это фундаментальное исследование двух конкретных кристаллов. Работающего устройства пока нет. Авторы видят в своей находке путь к сверхэффективным магнитным чипам и квантовым вычислительным системам следующего поколения, но от лабораторного образца до процессора в телефоне лежит долгая инженерная дорога.

Джоуль показал, что за каждое движение заряда природа берёт плату теплом. Магноны не отменяют этот закон. Они лишают его повода: если по проводнику ничего не бежит, нечему и тереться. Возможно, компьютер будущего будет похож на тихий стадион, где миллиарды стрелок-компасов встают и садятся по очереди, а мысль машины проносится по трибунам, не сдвинув ни одного зрителя.

Пока данные бегут по проводам по старинке, часы разговоров в удобный текст превращает расшифровка аудиозаписей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Программист отказался от ИИ, и дело было не в ошибках машиныУглерод жизни прилетел с окраин Солнечной системы и спрятался в ядреОкеан лавы не губит атмосферу планеты, а спасает её. И вот как

Все материалы раздела →