Военные США исследуют альтермагнетизм ради новых разработок в электронике

Новости МирТесен

Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) начало изучение альтермагнетизма – одного из новейших и наименее изученных направлений в физике. Цель – радикально изменить принципы работы военных вычислительных систем и электроники. Недавно Управление оборонных наук (DSO) агентства обнародовало запрос информации под названием «Альтермагнетизм для устройств», призывая исследователей помочь в разработке практических электронных и спинтронных технологий, использующих это необычное магнитное явление.

Альтермагнетизм объединяет характеристики ферромагнетизма, свойственного обычным магнитам, и антиферромагнетизма, который встречается во многих металлах. Главной особенностью этого явления, как отмечает DARPA, является «нерелятивистский спин-сплиттинг», заключающийся в способности материалов демонстрировать магнитные свойства без формирования общего магнитного поля. Это открывает возможности для разработки схем, управляющих квантовым спином электронов, без влияния факторов, таких как помехи, высокое энергопотребление или низкая скорость, которые свойственны традиционной электронике.

В запросе подчеркивается, что альтермагнетики сочетают характеристики антиферромагнетизма и ферромагнетизма: их внутренние магнитные моменты спинов ориентированы в противоположные направления, что приводит к их взаимной компенсации, как это наблюдается в антиферромагнетиках, но в то же время они демонстрируют спин-сплиттинг, аналогичный ферромагнетикам. Эта, на первый взгляд, незначительная структурная особенность может оказаться принципиально важной. Согласно информации агентства, альтермагнетики способны преодолеть основные трудности, возникающие при разработке спинтронных устройств, что создает перспективу для разработки технологий «сверхмалоэнергетических вычислений», значительно уступающих по эффективности традиционным полупроводниковым конструкциям.

В случае успешной реализации программа DARPA способна создать фундамент для принципиально нового поколения вычислительных устройств, которые будут отличаться меньшими размерами, повышенной скоростью и значительно более высокой энергоэффективностью по сравнению с современными системами. Спинтроника, использующая квантовый спин электронов, находит применение в жестких дисках и датчиках, однако DARPA ставит перед собой более масштабную задачу — использовать спин не только для хранения, но и для обработки информации. Для этого необходимы материалы, способные быстро и точно изменять спиновые состояния. Текущие ферро- и антиферромагнетики имеют определенные ограничения: первые создают помехи и характеризуются медленным переключением, а вторым свойственен недостаток внутреннего спин-сплиттинга. Альтермагнетики, обладающие нулевым намагничиванием, но демонстрирующие спин-разделенные электронные зоны, предоставляют возможность реализации быстрых вычислений без возникновения помех.

Главная трудность состоит в отсутствии технологий создания функционирующего устройства, использующего альтермагнетики. Представленные концепции переключения пока не получили экспериментального подтверждения. Сложность представляет также изучение альтермагнетизма, для чего требуются такие методы, как спиновая фотоэлектронная спектроскопия или рассеяние нейтронов, доступные преимущественно в крупных научных центрах. Многие исследовательские коллективы не располагают необходимой инфраструктурой.

Для изменения сложившейся обстановки DARPA требует достоверной информации, подкрепленной данными или теоретическими расчетами, относительно прогнозируемых улучшений по сравнению с существующими вычислительными архитектурами, а также касательно основных ограничений и технических сложностей. Это свидетельствует о том, что агентство не ограничивается изучением научных аспектов, а создает предпосылки для новой национальной исследовательской программы.

Несмотря на отсутствие прямого упоминания об оборонных применениях, потенциальные последствия весьма заметны. Устройства, использующие альтермагнетизм, способны послужить основой для процессоров искусственного интеллекта с крайне низким энергопотреблением, криптографических ускорителей или электроники, устойчивой к радиации, предназначенной для использования в космосе и на поле боя. Министерство обороны на протяжении длительного времени стремится к снижению энергопотребления развертываемых систем, включая спутники, автономные беспилотные летательные аппараты и датчики. Альтермагнетизм может существенно уменьшить затраты энергии на вычислительные процессы, что позволит осуществлять непрерывный сбор данных и принимать решения в отдаленных районах. Помимо этого, это может произвести революцию в области защищенной связи, открывая возможности для создания аппаратных архитектур, устойчивых к различным видам киберугроз.

Потенциальное использование в оборонных целях может оказать существенное влияние и на коммерческую сферу технологий. Наука, изучающая альтермагнетизм, находится на ранней стадии развития: впервые это явление было зафиксировано в 2019 году, а экспериментальное подтверждение последовало только в прошлом году. Недавнее сообщение об обнаружении первого органического альтермагнетика указывает на возможность проявления этих эффектов в сложных молекулярных структурах. Учитывая опыт DARPA в поддержке прорывных физических открытий, альтермагнетизм представляется перспективным направлением для дальнейших исследований.

При условии, что альтермагнетизм подтвердит заявленные возможности, это может ознаменовать собой важную веху в развитии вычислительной техники, предоставив возможность обойти энергетические и тепловые барьеры, присущие кремниевым транзисторам. Агентство DARPA подчеркивает свою заинтересованность в практической реализации альтермагнетизма для создания электронных устройств нового поколения, выходящих за пределы теоретических исследований.