Scienty

Фото: img.freepik.com

Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) начало изучение альтермагнетизма – одного из новейших и наиболее необычных направлений в физике. Цель – кардинально изменить принципы работы военных вычислений и электроники. Недавно Управление оборонных наук (DSO) агентства обнародовало запрос информации под названием «Альтермагнетизм для устройств», приглашая специалистов помочь в разработке практических электронных и спинтронных технологий, использующих это уникальное магнитное явление.

Альтермагнетизм объединяет характеристики ферромагнетизма, свойственного обычным магнитам, и антиферромагнетизма, который встречается во многих металлах. Главная особенность этого явления, которую DARPA определяет как «нерелятивистский спин-сплиттинг», заключается в способности материалов демонстрировать магнитные свойства без формирования суммарного магнитного поля. Это открывает возможность для разработки схем, которые управляют квантовым спином электронов, избегая при этом помех, высокого энергопотребления и низкой скорости, типичных для традиционных электронных устройств.

В запросе подчеркивается, что альтермагнетики сочетают характеристики обоих видов магнетизма: их внутренние магнитные моменты спинов ориентированы в противоположные направления и взаимно компенсируются, подобно антиферромагнетикам, но в то же время демонстрируют спин-сплиттинг, как ферромагнетики. Эта, на первый взгляд, незначительная структурная особенность способна оказать существенное влияние. В документе говорится, что альтермагнетики способны преодолеть основные трудности, возникающие при разработке спинтронных устройств, что создает возможность для создания технологий, обеспечивающих вычисления с крайне низким энергопотреблением, значительно превосходящие по эффективности традиционные полупроводниковые решения.

Благодаря успешной реализации программы DARPA, возможно создание принципиально нового поколения вычислительных систем, характеризующихся меньшими размерами, повышенной скоростью и значительно более высокой энергоэффективностью по сравнению с современными решениями. Спинтроника, основанная на использовании квантового спина электронов, находит применение в жестких дисках и датчиках, однако DARPA ставит перед собой более масштабную задачу – использование спина не только для хранения, но и для обработки информации. Для этого необходимы материалы, способные быстро и точно изменять спиновые состояния. В настоящее время используемые ферро- и антиферромагнетики имеют определенные ограничения: первые создают помехи и обладают низкой скоростью переключения, а вторым не хватает внутреннего спин-сплиттинга. Альтермагнетики, характеризующиеся нулевым намагничиванием и наличием спин-разделенных электронных зон, предлагают перспективную возможность для проведения быстрых вычислений без возникновения помех.

Ключевая трудность состоит в отсутствии технологии создания функционирующего устройства, использующего альтермагнетики. Представленные концепции переключения пока не получили экспериментального подтверждения. Сложность представляет собой также и изучение альтермагнетизма, для чего требуются такие методы, как спиновая фотоэлектронная спектроскопия или нейтронное рассеяние, доступные в основном в крупных научных учреждениях. Многие исследовательские коллективы лишены необходимой инфраструктуры.

Для изменения сложившейся обстановки DARPA требует обоснованной, подкрепленной данными или теоретическими расчетами информации об ожидаемых улучшениях по сравнению с существующими вычислительными архитектурами, а также о принципиальных ограничениях и технических сложностях. 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, могут послужить основой для процессоров искусственного интеллекта с минимальным потреблением энергии, криптографических ускорителей или электроники, устойчивой к радиации, предназначенной для использования в космосе и на поле боя. Министерство обороны уже давно заинтересовано в снижении энергопотребления развертываемых систем, таких как спутники, автономные беспилотные летательные аппараты и датчики. Альтермагнетизм способен существенно уменьшить затраты энергии на вычислительные процессы, что позволит осуществлять непрерывный сбор данных и принимать решения в удаленных районах. Помимо этого, это может привести к революции в области защищенных коммуникаций, открывая возможности для создания аппаратных архитектур, способных противостоять различным видам киберугроз.

Возможные оборонные применения этого явления способны оказать существенное влияние и на коммерческую сферу технологий. Наука, изучающая альтермагнетизм, находится на ранней стадии развития: впервые данное явление было зафиксировано в 2019 году, а экспериментальное подтверждение последовало только в прошлом году. Недавнее сообщение об открытии первого органического альтермагнетика указывает на то, что эффекты могут наблюдаться и в сложных молекулярных структурах. Учитывая опыт DARPA в поддержке прорывных физических открытий, альтермагнетизм представляется перспективным направлением для дальнейших исследований.

В случае, если альтермагнетизм подтвердит хотя бы часть прогнозируемых возможностей, это может ознаменовать собой важный этап в развитии вычислительной техники, обеспечив возможность преодоления энергетических и тепловых ограничений, характерных для кремниевых транзисторов. Агентство DARPA подчеркивает свою заинтересованность не только в теоретических исследованиях, но и в разработке практических устройств, основанных на альтермагнетизме для создания электроники будущего.