Спиновый лед — основа новых суперкомпьютеров с низким энергопотреблением

Спиновый лед – особая разновидность искусственного льда. Он похож на обычный, но в его кристаллической решетке молекулы воды заменены на магнитные нанокристаллы. Это приводит к появлению квазичастицы, которая напоминает по свойствам магнитный заряд, не привязанный к физическому носителю.

Наномагниты в спиновом льде образуют так называемую решетку кагомэ или тришестиугольную мозаику. В ячейке такой решетки – шесть магнитов, и каждый из них имеет два состояния спинов: направленных внутрь или наружу.

При сверхнизких температурах, стремящихся к абсолютному нулю, спины атомов выстраиваются таким образом, что часть из них обращена внутрь ячейки, а другая – наружу. В итоге возникает 64 потенциальных магнитных состояния. Если таких ячеек две, то количество состояний возрастает примерно до 2000.

В исследовании, проведенном учеными из Института Пауля Шеррера и Федерального института технологии в Цюрихе использовались большие массивы ячеек. Они содержали несколько тысяч наномагнитов, и в них было доступно огромное количество магнитных состояний.

Для эксперимента использовался пермаллой – сплав железа с 45-82 % никеля. Соединение нанесли на кремниевую подложку и затем литографировали на другую подложку, образовав шестиугольники-кагомэ, соединенные между собой магнитными мостами толщиной 10 микрон.

В ходе исследований физикам удалось построить наноразмерные магнитные мосты между кристаллами, что сделало их реакцию более предсказуемой. Также получилось проверить, как изменяются магнитные состояния наномагнитов в массиве с течением времени.

Для спинового льда уже была предсказана возможность возникновения магнитных фазовых переходов, но никогда ранее их не удавалось наблюдать. В новом эксперименте были задействованы микроскоп и рентгеновский синхротрон — с их помощью ученые смогли увидеть фазовые переходы в спиновом льде. К тому же им удалось заснять видео взаимодействия наномагнитов и определить конфигурации магнитных спинов, возникающих в момент фазового перехода.

Конечная цель физиков – создать настолько маленькие магнитные частицы, чтобы их спины или собственные моменты импульса можно было направить в нужную сторону, просто понизив температуру до значений, близких к абсолютному нулю.

В этом случает спиновый лед можно применять для высокопроизводительных вычислений. В частности – для резервуарных вычислений, которые используются в прогнозировании погоды, финансовых рынков, распознавание изображений или речи и др.

Суперкомпьютер на основе спинового льда сможет работать по тому же принципу, что человеческий мозг, только на месте нейронов окажутся магниты, на которые будет воздействовать магнитное поле или электрический ток.

И, хотя такой компьютер по прогнозам появится еще нескоро, физики уже рассматривают возможности использования спинового льда, и в частности – манипуляции с фазовыми переходами.