В епоху стрімкого розвитку штучного інтелекту, коли обчислювальні потужності зростають експоненціально, а споживання енергії досягає астрономічних масштабів, вчені роблять прорив за проривом у пошуках більш ефективних і стійких рішень. Одним з найбільш багатообіцяючих напрямків є використання спінових хвиль – своєрідних “магнітних імпульсів”, здатних передавати і обробляти інформацію з мінімальними втратами енергії. Німецькі вчені з університетів Мюнстера і Гейдельберга зробили справжній технологічний прорив, створивши найбільшу в світі мережу спінових хвилеводів, яка обіцяє радикально змінити ландшафт розробки штучного інтелекту.
У пошуках енергоефективності: чому спінові хвилі важливі?
Швидке поширення штучного інтелекту, особливо в таких областях, як машинне навчання та глибокі нейронні мережі, створює величезне навантаження на існуючі енергетичні системи. Традиційні електронні компоненти, засновані на русі електронів, споживають значну кількість енергії, виробляючи при цьому тепло. Спінові хвилі, з іншого боку, використовують внутрішній магнітний момент електрона, що дозволяє передавати інформацію практично без втрат енергії. Уявіть собі мережу, де інформація “ковзає” по магнітних каналах, як поїзд по рейках, замість того щоб долати опір, як в традиційній електроніці. Це і є суть технології спінових хвилеводів.
Унікальний прорив: створення найбільшої мережі спінових хвилеводів
Під керівництвом професора Рудольфа Братчича, вчені змогли подолати одну з головних проблем, що обмежують застосування спінових хвиль – сильне загасання сигналу в хвилеводах, особливо в нанорівневих структурах. Їх рішення полягало в розробці нового методу створення хвилеводів, що дозволяє спіновим хвилям поширюватися на значно більші відстані. Завдяки цьому інноваційному підходу, їм вдалося побудувати мережу, що складається з 198 вузлів – найбільшу мережу спінових хвилеводів, коли-небудь створену людиною.
Магія матеріалу: Ітрієво-залізний гранат (YIG) і іонний пучок кремнію
Ключовим елементом успіху стало використання матеріалу з мінімальними втратами-ітрієво-залізний гранат (YIG). Вчені створили тонку плівку цього магнітного матеріалу товщиною всього 110 нанометрів і, використовуючи іонний пучок кремнію, сформували складну мережу хвилеводів. Цей процес дозволив досягти високої точності та відтворюваності у створенні структури. Це ніби мікроскопічний скульптор з неймовірною точністю вирізав складну мережу з найтоншої матерії.
Точний контроль спінових хвиль: налаштування довжини хвилі та відбиття
Але прорив не обмежується лише масштабом. Команда вчених продемонструвала можливість точного контролю над поведінкою спінових хвиль в мережі. Вони навчилися налаштовувати такі параметри, як довжина хвилі та спосіб відбиття хвиль від меж мережі. Це відкриває величезні перспективи для створення гнучких і програмованих обчислювальних пристроїв, які зможуть адаптуватися до різних завдань.
Фізика спінових хвиль: основи нової технології
Щоб зрозуміти значущість цього відкриття, необхідно розібратися у фізиці спінових хвиль. Спін електрона-це не просто квантово-механічна властивість, а скоріше його внутрішній момент, подібний до обертання маленького кульки. Розташування безлічі спинив в матеріалі визначає його магнітні характеристики. Коли до магнітного матеріалу прикладається змінний струм, виникає магнітне поле викликає коливання спінів, які і породжують спінову хвилю. Ці хвилі можуть бути використані для створення логічних елементів, мультиплексорів та інших компонентів, що використовуються в обчислювальній техніці.
Перспективи та вплив на майбутнє штучного інтелекту
Створення найбільшої мережі спінових хвилеводів – це не просто науковий прорив, а значний крок до створення більш енергоефективного та стійкого майбутнього для штучного інтелекту. Ця технологія відкриває шлях до розробки:
- Більш енергоефективних процесорів:Зниження енергоспоживання дозволить створювати більш компактні і потужні пристрої, здатні працювати від батареї протягом значно більш тривалого часу.
- Нових обчислювальних архітектур:Спінові хвилеводи дозволяють створювати обчислювальні пристрої, засновані на принципово нових архітектурах, які можуть перевершити традиційні процесори по продуктивності і енергоефективності.
- Гнучкої електроніки:Можливість точного контролю над спіновими хвилями відкриває можливості для створення гнучкої і програмованої електроніки, здатної адаптуватися до різних завдань.
Результати дослідження були опубліковані в престижному журналіNature Materialsі фінансується німецьким дослідницьким фондом (DFG) в рамках спільного дослідницького центру 1459 “розумна матерія”. Це яскраве свідчення того, що майбутнє штучного інтелекту нерозривно пов’язане з пошуком інноваційних та енергоефективних рішень.
Посилання:“Імплантовані спінові хвилеводи з малими втратами, перебудовуються за допомогою дисперсії, для великих магнонних мереж”, автори: Янніс Бенсманн, Роберт Шмідт, Кирило о. Ніколаєв, Дмитро Расходчиков, Шраддха Чоудхарі, Річа Бхардвай, Шабнам Тахерінія, Ахіл Варрі, Свен Ніхуес, Ахмад Ель кадрі, Йоханнес Керн, Вольфрам х. п. Перніс, Сергій о. Демократов, Владислав Е. Демидов, Штеффен Міхаеліс де васкончеллос та Рудольф братчич, 9 липня 2025 року,Nature Materials.
DOI:10.1038/s41563-025-02282-y
