Новых свойств магнетизма могут изменить наши компьютеры
Современные компьютеры используют электроны для обработки информации, но эта конструкция начинает достигать теоретических пределов. Однако вместо этого можно было бы использовать магнетизм и тем самым поддерживать разработку как более дешевых, так и более мощных компьютеров благодаря работе ученых из Института Нильса Бора (NBI) и Копенгагенского университета. Их исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
«Функция компьютера состоит в том, чтобы пропускать электрический ток через микрочип. Хотя его количество ничтожно мало, ток будет не только передавать информацию, но и способствовать нагреву чипа. Когда у вас есть огромное количество плотно упакованных компонентов, тепло становится проблема. Это одна из причин, по которой мы достигли предела того, насколько вы можете уменьшить компоненты. Компьютер, основанный на магнетизме, позволит избежать проблемы перегрева», — говорит профессор Ким Лефманн, физика конденсированных сред, NBI.
«Наше открытие не является прямым рецептом создания компьютера на основе магнетизма. Скорее, мы раскрыли фундаментальное магнитное свойство, которое вам необходимо контролировать, если вы хотите создать такой компьютер».
Квантовая механика останавливает ускорение
Чтобы понять открытие, нужно знать, что магнитные материалы не обязательно ориентированы однородно. Другими словами, области с северным и южным магнитными полюсами могут существовать рядом. Эти области называются доменами, а граница между доменами северного и южного полюсов называется доменной стенкой.
Хотя доменная стенка не является физическим объектом, она, тем не менее, обладает рядом свойств частиц. Это пример того, что физики называют квазичастицами, имея в виду виртуальные явления, напоминающие частицы.
«Хорошо известно, что можно изменить положение доменной стенки, применив магнитное поле. Первоначально стенка будет реагировать аналогично физическому объекту, который подвергается гравитации и ускоряется до тех пор, пока не ударится о поверхность под ним. Однако другие законы применимы к квантовому миру », — объясняет Ким Лефманн.
«На квантовом уровне частицы — это не только объекты, но и волны. Это относится и к квазичастицам, таким как доменная стенка. Свойства волны подразумевают, что ускорение замедляется, когда стенка взаимодействует с атомами в окружающей среде. ... Вскоре ускорение полностью прекратится, и положение стены начнет колебаться».
Швейцарская гипотеза вдохновила
Аналогичное явление наблюдается и для электронов. Здесь они известны как осцилляции Блоха по имени американо-швейцарского физика и лауреата Нобелевской премии Феликса Блоха, открывшего их в 1929 году.
В 1996 году швейцарские физики-теоретики предположили, что параллель с блоховскими осцилляциями может существовать в магнетизме. Теперь — чуть более четверти века спустя — Киму Лефманну и его коллегам удалось подтвердить эту гипотезу.
Группа исследователей изучила движение доменных стенок в магнитном материале CoCl 2 ∙ 2D 2 O.
«Мы давно знали, что эту гипотезу можно будет проверить, но мы также понимали, что для этого потребуется доступ к источникам нейтронов магнитные исследования», — рассказывает Ким Лефманн.
Ускорение исследований в области магнетизма
Источники нейтронов представляют собой крупномасштабные научные инструменты. Во всем мире существует всего около двадцати объектов, и конкуренция за время луча является жесткой. Только сейчас команде удалось получить достаточно данных, чтобы удовлетворить редакторов Nature Communications.
«У нас было время луча в NIST в США и ILL во Франции соответственно. К счастью, условия для магнитных исследований значительно улучшатся, когда ESS (European Spallation Source, ред.) заработает в Лунде, Швеция, для времени пучка станет лучше, так как Дания является совладельцем установки. Качество результатов станет примерно в 100 раз лучше, потому что ESS будет чрезвычайно мощным источником нейтронов», — говорит Ким Лефманн.
Чтобы пояснить, он подчеркивает, что, хотя квантовая механика задействована, компьютер, основанный на магнетизме, не будет типом квантового компьютера . «Ожидается, что в будущем квантовые компьютеры смогут решать чрезвычайно сложные задачи. Но даже тогда нам все еще будут нужны обычные компьютеры для более обычных вычислений. Именно здесь компьютеры, основанные на магнетизме, могут стать подходящей альтернативой, поскольку они лучше, чем современные компьютеры."
