Созданы вортионы — новые магнитные квазичастицы

Современные вычислительные системы сталкиваются с серьезной проблемой энергопотребления: обработка больших данных требует все больше ресурсов, а нагрев компонентов приводит к потерям энергии. Физики предложили новое решение — магнито-ионные вихри, или вортионы, позволяющие управлять магнитными свойствами материалов с беспрецедентной точностью. Это открытие прокладывает путь к энергоэффективным вычислительным устройствам будущего.

Традиционные запоминающие устройства работают на основе электрического тока, что приводит к перегреву и снижает эффективность вычислений. Магнито-ионные материалы позволяют управлять состоянием памяти с помощью напряжения, а не тока, что значительно снижает энергозатраты. Однако до недавнего времени ученые в основном изучали такие материалы в виде сплошных пленок, а не в дискретных структурах, необходимых для создания компактных энергоэффективных носителей информации.
Международная группа исследователей решила эту задачу, объединив два ключевых явления: магнито-ионные эффекты и магнитные вихри. Результатом стало открытие вортиона — нового магнитного состояния, которое обеспечивает точное управление магнитными свойствами в наномасштабе. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Как работает вортион
На микрометровых масштабах материалы демонстрируют уникальные свойства, отсутствующие в макроскопических системах. Одним из таких явлений являются магнитные вихри — крошечные спиралевидные структуры, способные хранить информацию и применяться в биомедицине. Однако изменение состояния вихрей требовало значительных затрат энергии, что ограничивало их практическое использование.
Созданный учеными вортион позволяет управлять вихревыми структурами на уровне отдельных наноточек. Это достигается за счет удаления ионов азота с помощью напряжения, что делает процесс не только точным, но и энергоэффективным.
«Мы создали принципиально новый объект на наномасштабе. До сих пор исследования магнито-ионных эффектов были сосредоточены на сплошных материалах. Однако, если рассмотреть движение ионов в дискретных наноструктурах, таких как изученные нами наноточки, становится очевидно, что в них возникают уникальные конфигурации спинов», — объясняет руководитель исследования Хорди Сорт (Jordi Sort).

Новые возможности для спинтроники и нейросетей
Конфигурация спинов в вортионах зависит от приложенного напряжения, что позволяет изменять магнитные свойства материала с высокой степенью точности. Магнитные наноточки могут существовать в нескольких состояниях — от различных типов вихрей до состояния с однородной намагниченностью.
«Наше исследование демонстрирует, что мы можем точно управлять ключевыми магнитными характеристиками — намагниченностью, коэрцитивной силой, магнитной анизотропией. Это открывает новые возможности для энергоэффективных магнитных запоминающих устройств», — отмечает первая автор статьи Ирэна Спасоевич (Irena Spasojević).
Помимо спинтроники, вортионы могут сыграть важную роль в развитии нейроморфных вычислений. Как и биологические синапсы, они обладают изменяемыми «весами» — параметрами, влияющими на передачу сигналов в искусственных нейронных сетях. Это делает их перспективными кандидатами для создания энергоэффективных аналогов биологических синапсов.

Будущее вычислительных технологий
Исследователи считают, что вортионы могут найти применение не только в нейроморфных вычислениях и магнитных запоминающих устройствах, но и в биомедицине, защите данных и новых методах обработки информации.
Использование напряжения вместо электрического тока снижает нагрев и повышает энергоэффективность устройств — от ноутбуков до центров обработки данных. Это особенно актуально в эпоху быстрого роста искусственного интеллекта и больших данных, когда спрос на вычислительные мощности постоянно увеличивается.
Таким образом, открытие вортионов открывает новую главу в развитии энергоэффективных технологий, приближая нас к будущему, где компьютеры будут работать быстрее, надежнее и с меньшими затратами энергии.

Источник: «Физики создали новую магнитную квазичастицу — вортион» — Naked Science