Поскольку магноны взаимодействуют с магнитными полями, их можно использовать для кодирования и передачи данных без потоков электронов, которые связаны с потерей энергии из-за нагрева (известного как джоулев нагрев) используемого проводника. Как объясняет Дирк Грундлер, руководитель лаборатории наноразмерных магнитных материалов и магноники (LMGN) Инженерной школы, потери энергии становятся все более серьезным препятствием для электроники по мере роста скорости передачи данных и требований к хранению.

"С появлением искусственного интеллекта использование вычислительных технологий настолько возросло, что потребление энергии угрожает их развитию", - говорит Грундлер. "Серьезной проблемой является традиционная вычислительная архитектура, которая разделяет процессоры и память. Преобразования сигналов, связанные с перемещением данных между различными компонентами, замедляют вычисления и приводят к пустой трате энергии."

Эта неэффективность, известная как "стена памяти" или "узкое место Фон Неймана", заставила исследователей искать новые вычислительные архитектуры, которые могли бы лучше удовлетворять требованиям больших объемов данных. И теперь Грундлер считает, что его лаборатория, возможно, наткнулась на такой "святой грааль".

Проводя другие эксперименты с коммерческой пластиной ферримагнитного изолятора иттриево-железного граната (YIG) с наномагнитными полосками на поверхности, аспирант LMGN Корбиньян Баумгертль вдохновился на разработку устройств с точно спроектированным YIG-наномагнетиком. При поддержке Центра микронанотехнологий Баумгертлю удалось возбуждать спиновые волны в YIG на определенных гигагерцовых частотах, используя радиочастотные сигналы, и - что особенно важно - обратить вспять намагниченность поверхностных наномагнитов.

"Две возможные ориентации этих наномагнитов представляют магнитные состояния 0 и 1, что позволяет кодировать и сохранять цифровую информацию", - объясняет Грундлер.

Путь к вычислению в памяти

Ученые сделали свое открытие с помощью обычного векторного сетевого анализатора, который послал спиновую волну через устройство YIG-nanomagnet. Обращение наномагнетика происходило только тогда, когда спиновая волна достигала определенной амплитуды, и затем ее можно было использовать для записи и считывания данных.

"Теперь мы можем показать, что те же волны, которые мы используем для обработки данных, могут быть использованы для переключения магнитных наноструктур, чтобы у нас также было энергонезависимое магнитное хранилище в той же самой системе", - объясняет Грундлер, добавляя, что "энергонезависимое" относится к стабильному хранению данных в течение длительных периодов времени без дополнительного потребления энергии.

Именно эта способность обрабатывать и хранить данные в одном и том же месте дает этому методу потенциал для изменения текущей парадигмы вычислительной архитектуры, положив конец энергоэффективному разделению процессоров и запоминающего устройства и достигнув того, что известно как вычисления в памяти.

Оптимизация на горизонте

Баумгертль и Грундлер опубликовали новаторские результаты в журнале Сообщения о природе, и команда LMGN уже работает над оптимизацией своего подхода.

"Теперь, когда мы показали, что спиновые волны записывают данные, переключая наномагнетики из состояний 0 в 1, нам нужно поработать над процессом их повторного переключения - это известно как тумблерное переключение", - говорит Грундлер.

Он также отмечает, что теоретически магнонический подход мог бы обрабатывать данные в терагерцевом диапазоне электромагнитного спектра (для сравнения, современные компьютеры функционируют в более медленном гигагерцевом диапазоне). Однако им все еще нужно продемонстрировать это экспериментально.

"Перспективы этой технологии для более устойчивых вычислений огромны. С помощью этой публикации мы надеемся усилить интерес к волновым вычислениям и привлечь больше молодых исследователей к растущей области магноники".