Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) приступило к изучению одного из самых новых и необычных направлений в физике — альтермагнетизма — с целью коренного преобразования основ военных вычислений и электроники.
Недавно Управление оборонных наук (DSO) агентства опубликовало запрос информации под названием «Альтермагнетизм для устройств», приглашая исследователей помочь наметить путь к созданию практических электронных и спинтронных технологий, способных использовать это экзотическое магнитное поведение.
Альтермагнетизм сочетает свойства двух давно известных типов магнетизма — ферромагнетизма, как в обычных магнитах, и антиферромагнетизма, присутствующего во многих металлах. Однако его главная особенность, которую DARPA называет «нерелятивистским спин-сплиттингом», заключается в том, что эти материалы могут проявлять магнитные свойства, не создавая результирующего магнитного поля. На практике это может позволить создавать схемы, управляющие квантовым спином электронов, без помех, высокого энергопотребления или низкой скорости, характерных для традиционной электроники.
Как отмечается в запросе, альтермагнетики объединяют черты обоих типов магнетизма: их внутренние магнитные спины направлены в противоположные стороны и компенсируют друг друга, как в антиферромагнетиках, но при этом обладают спин-сплиттингом, подобно ферромагнетикам. Эта, казалось бы, небольшая структурная особенность может быть преобразующей. Агентство указывает, что альтермагнетики могут обойти основные препятствия, с которыми сталкиваются при проектировании спинтронных устройств, что открывает путь к созданию технологий «сверхмалоэнергетических вычислений», значительно превосходящих по эффективности традиционные полупроводниковые архитектуры.
В случае успеха программа DARPA может заложить основу для совершенно нового класса вычислительных систем, которые будут меньше, быстрее и на порядки энергоэффективнее существующих сегодня. Спинтроника, использующая квантовый спин электронов, уже применяется в жестких дисках и датчиках, но DARPA стремится к более амбициозной цели — использовать спин не только для хранения, но и для обработки данных. Это требует материалов, способных быстро и точно переключать спиновые состояния. Существующие ферро- и антиферромагнетики имеют недостатки: первые создают помехи и медленно переключаются, а вторым не хватает внутреннего спин-сплиттинга. Альтермагнетики, обладая нулевым намагничиванием, но имея спин-разделенные электронные зоны, предлагают возможность быстрых вычислений без помех.
Основная проблема заключается в том, что пока никто не знает, как создать рабочее устройство на основе альтермагнетиков. Предложенные идеи по переключению устройств остаются экспериментально непроверенными. Кроме того, сложность представляет и сама характеристика альтермагнетизма, для подтверждения которого требуются методы вроде спиновой фотоэлектронной спектроскопии или рассеяния нейтронов, доступные лишь в крупных научных центрах. Многие исследовательские группы не имеют необходимой инфраструктуры.
Чтобы изменить эту ситуацию, DARPA запрашивает реалистичную, подкрепленную данными или теорией информацию об ожидаемых улучшениях по сравнению с современными вычислительными архитектурами, а также о фундаментальных ограничениях и технических препятствиях. Это указывает, что агентство не просто исследует научный интерес, а закладывает основу для новой национальной исследовательской инициативы.
Хотя в запросе прямо не упоминаются оборонные приложения, потенциальные последствия очевидны. Устройства на основе альтермагнетизма могли бы стать основой для процессоров искусственного интеллекта с ультранизким энергопотреблением, криптографических ускорителей или радиационно-стойкой электроники для космоса и поля боя. Министерство обороны давно стремится сократить энергопотребление развертываемых систем, будь то спутники, автономные дроны или датчики. Альтермагнетизм может радикально снизить энергозатраты на вычисления, обеспечивая постоянный сбор данных и принятие решений в удаленных условиях. Кроме того, это могло бы революционизировать защищенные коммуникации, позволив создавать аппаратные архитектуры, устойчивые ко многим формам кибератак.
Эти потенциальные оборонные применения могут иметь далеко идущие последствия и для коммерческого технологического сектора. Наука об альтермагнетизме еще очень молода: впервые явление было описано в 2019 году, а экспериментально подтверждено лишь в прошлом году. Недавно было сообщено об открытии первого органического альтермагнетика, что предполагает, что эффекты могут проявляться и в сложных молекулярных системах. Для DARPA, имеющего историю поддержки революционных физических открытий, альтермагнетизм представляется следующей крупной ставкой.
Если альтермагнетизм оправдает хотя бы часть ожиданий, это может стать переломным моментом в эволюции вычислений, позволив преодолеть энергетические и тепловые ограничения кремниевых транзисторов. DARPA ясно дает понять, что хочет выйти за рамки теории и создать конкретные устройства, использующие альтермагнетизм для электроники следующего поколения.