Учёные нашли геометрическое правило для создания сверхэкономичных вычислительных систем
Американские исследователи выявили простое геометрическое правило, которое может помочь создавать вычислительные системы с крайне низким энергопотреблением. Работа показала, что расположение наномагнитов относительно друг друга способно определять, будет ли их поведение предсказуемым при переходе в стабильное состояние.
Современная электроника использует миллиарды миниатюрных переключателей, каждый из которых потребляет энергию при включении и выключении. Поэтому учёные ищут альтернативные технологии, способные выполнять вычисления с гораздо меньшими затратами энергии.
Исследование под руководством специалистов Аргоннской национальной лаборатории показало, что геометрия наномагнитной системы влияет на путь, по которому в ней перераспределяется энергия. В зависимости от расположения магнитов система может предсказуемо переходить в определённое стабильное состояние или вести себя более случайным образом.
Учёные сравнивают этот процесс с движением шара, который скатывается с вершины горы к самой низкой точке. Система стремится перейти в состояние с минимальной энергией, однако взаимодействие наномагнитов создаёт более сложную энергетическую поверхность и определяет возможные пути такого перехода.
Для изучения этого эффекта исследователи использовали четыре наномагнита в Центре наномасштабных материалов Аргоннской национальной лаборатории. Сначала магниты располагались в форме греческого креста, или знака «плюс». Затем все четыре магнита одновременно поворачивали, пока они не образовывали квадрат. На разных этапах этого вращения учёные измеряли, как система переходит к наиболее стабильному состоянию.
Для анализа исследователи применили мультипольный подход и подтвердили теоретические расчёты экспериментами с помощью магнитно-силовой микроскопии. Результаты показали, что изменение геометрии позволяет управлять энергетическими путями системы и степенью предсказуемости её конечного состояния.
По словам ведущего автора работы, материаловеда Аргоннской национальной лаборатории Хану Аравы, исследование выявило прямую связь между структурой и функцией. В данном случае структура определяется геометрическим расположением магнитов, а функция — характером перемещения энергии внутри системы.
Эксперимент проводился всего с четырьмя наномагнитами, однако исследователи считают, что принцип может применяться в гораздо более крупных магнитных устройствах. В таких системах тысячи подобных элементов должны согласованно работать вместе.
Найденное правило позволяет инженерам изменять угол поворота магнитов и тем самым настраивать вероятность перехода системы в нужное состояние. Такой подход может стать основой для проектирования магнитных вычислительных устройств, способных выполнять операции при значительно меньшем энергопотреблении, чем традиционная электроника.
Результаты также важны для изучения магнитной фрустрации и метастабильных состояний в структурах искусственного спинового льда. Исследователи считают, что предложенный подход даёт более наглядный способ понять, как геометрия влияет на движение энергии в подобных системах.
Исследование в журнале Communications Materials.