Магнитные спиновые волны генерируют электрические сигналы для ускорения вычислений

Современные компьютеры сталкиваются с проблемой: данные хранятся в магнитных накопителях, а обрабатываются с помощью электричества. Постоянный перенос информации между магнитной и электрической системами создаёт «бутылочное горлышко», ограничивающее скорость вычислений.

Новое теоретическое исследование инженеров из Университета Делавэра показывает, что магноны — магнитные спиновые волны — могут генерировать детектируемые электрические сигналы. Это открывает путь к созданию устройств, которые интегрируют магнитные компоненты непосредственно в вычислительную логику, что позволит компьютерам работать быстрее и эффективнее.

(a) Кагоме спиновой решетки жарозита калия-железа вместе с (b) DM векторами, включающими внутриплоскостное направление, показанное зелеными стрелками, и внеплоскостные компоненты, изображенные как выходящие из плоскости или входящие в нее. Автор: Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2507255122

Магнетизм возникает от электронов, крошечных частиц, вращающихся вокруг ядра атома. Каждый электрон обладает свойством, называемым спином, который может быть направлен вверх или вниз.

«Представьте, что есть пружина, соединяющая все эти спины. Если я отклоню один спин, это как потянуть за пружину. Следующий спин отклонится, затем следующий, затем следующий», — сказал старший автор Мэттью Доти, профессор инженерного колледжа UD. — «Магнон — это просто волна».

В отличие от электрического тока, где заряженные электроны, текущие по проводам, сталкиваются с сопротивлением и теряют энергию в виде тепла, магноны передают информацию через ориентацию спинов, не перемещая электрические заряды. Это означает, что они не сталкиваются с сопротивлением и тратят гораздо меньше энергии.

Исследование было сосредоточено на антиферромагнитных материалах, в которых спины чередуются вверх и вниз. Магноны в таких материалах могут распространяться с терагерцовыми частотами, примерно в тысячу раз быстрее, чем в ферромагнетиках. Однако из-за того, что общий спин в антиферромагнитных материалах равен нулю, обнаружить и управлять такими магнонами крайне сложно.

Новое теоретическое исследование инженеров из Университета Делавэра показывает, что магноны, тип магнитной спиновой волны, могут производить обнаруживаемые электрические сигналы. На фото: Мэттью Доти и постдокторант Д. Куанг То обсуждают свои находки. Автор: Evan Krape/University of Delaware

Постдокторант Д. Куанг То и его коллеги использовали компьютерное моделирование, чтобы изучить поведение магнонов в антиферромагнитных материалах. К их удивлению, расчёты показали, что движение магнонов может генерировать электрические сигналы.

«Результаты предсказывают, что мы можем обнаруживать магноны, измеряя создаваемую ими электрическую поляризацию», — сказал Доти. — «Что ещё более захватывающе, мы могли бы использовать внешние электрические поля, включая поля света, для управления движением магнонов. Будущие устройства, заменяющие обычные провода магнонными каналами, смогут передавать информацию гораздо быстрее и с гораздо меньшими потерями энергии».

Команда разработала математическую модель, которая показала, что при взаимодействии орбитального углового момента магнонов с атомами материала возникает электрическая поляризация. Другими словами, движущиеся антиферромагнитные магноны могут генерировать измеримое напряжение.

«Наша модель предоставляет мощный инструмент, который позволит научному сообществу предсказывать и управлять поведением магнонов», — сказал То.

Команда из Университета Делавэра уже начала эксперименты по проверке предсказанных эффектов. Они также планируют изучить, как магноны взаимодействуют со светом, чтобы определить, можно ли использовать орбитальный угловой момент света для управления транспортировкой или обнаружением магнонов.

ИИ: Это фундаментальное исследование открывает новые горизонты для спинтроники — области, которая может кардинально изменить архитектуру вычислительных устройств, сделав их не только быстрее, но и энергоэффективнее. В перспективе это может привести к созданию процессоров, где информация передается не электрическим током, а магнитными волнами.