Всем известно, что при интенсивной работе ваш ноутбук, планшетный компьютер или смартфон становятся теплыми, а в некоторых местах и просто горячими. Выделяющееся тепло является побочным продуктом работы микропроцессора и других электронных компонентов, через которые протекает электрический ток, приводящий в действие все устройство, и, фактически, это тепло является впустую потраченной дефицитной энергией, которой в аккумуляторных батареях хранится не так уж и много. Команда исследователей из Школы технических и прикладных наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе провела ряд исследований нового типа магнитных материалов, называемых мультиферроиками (multiferroics), необычные свойства которых помогут сделать микропроцессоры будущих компьютеров еще более быстрыми и более энергосберегающими, нежели современные микропроцессоры.
В чипах современных электронных устройств электрический ток проходит через транзисторы, которые, по существу, являются крошечными электронными выключателями. Во включенном состоянии эти выключатели могут проводит через себя поток электронов, но в любом случае структура транзистора имеет электрическое сопротивление, которое обуславливает выделение некоторого количества паразитного тепла. И чем больше транзисторов упаковывается на кристалле чипов, тем большее количество тепла выделяется на этом чипе.
Команда ученых использовала материалы-мультиферроики для реализации технологии уменьшения количества энергии, требующейся для работы логических ключей и других устройств, которые являются основой всех схем чипов, способных производить вычисления. Мультиферроики могут переходить во включенное и в выключенное состояние при помощи управляющего воздействия электрическим потенциалом определенной полярности. А энергия, возникающая в мультиферроиках, перемещается за счет передачи вращения электронов, переноса спина или спин-волн другими словами.
Процесс распространения спин-волны можно рассматривать как процесс распространения волн на поверхности воды, когда все молекулы воды остаются фактически на одном месте, а энергия волны переносится за счет вертикальных перемещений массы воды волны. Это процесс абсолютно противоположен процессу течения электрического тока в проводнике, который по аналогии можно рассматривать как поток воды, текущей внутри трубы.
«Спин-волны открывают совершенно новые способы перемещения информации и реализации логических вычислений. С их помощью достаточно просто можно решить некоторые из задач, которые являются трудными при решении с помощью традиционной полупроводниковой техники. Кроме этого, использование спин-волн отлично вписывается в концепцию относительно новой области — спинтроники, где в качестве носителя информации выступает не поток электронов, а их направление вращения вокруг ядра атома» — рассказывает профессор Канг Л. Ван (Kang L. Wang), директор Западного института наноэлектроники и научный руководитель данного проекта.
Созданные исследователями опытные образцы спин-волновых логических устройств на основе мультиферроиков продемонстрировали снижение количества выделяемого тепла в 1000 раз по сравнению с аналогичными полупроводниковыми элементами. «Чисто электрический контроль магнетизма материала, практически не требующий наличия электрического тока демонстрирует огромный потенциал для создания новых высокоскоростных устройств хранения и обработки данных, которые смогут демонстрировать производительность, сопоставимую с производительностью современных процессоров, работая при этом от единственной батарейки в течение недель или месяцев времени» — рассказывает Педрэм Хэлили, исследователь из Калифорнийского университета, принимавший участие в данных исследованиях.
