18.02.2011
Крошечные многослойные магниты могут быть использованы в качестве центрального процессора в компьютерах с низким энергопотреблением. Так утверждают исследователи из Соединенных Штатов, которые показали, что намагниченность таких магнитов размером в пару нанометров может менять направление с помощью приложения небольшого электрического напряжения, вызывающего механические деформации в слоях материала, что, в свою очередь, вызывает переориентацию спинов электронов, формирующих магнитный момент атома. На основе таких магнитов можно изготовить процессор, работа которого, таким образом, основана одновременно на принципах спиновой и деформационной электроники (spintronics/straintronics). Для работы такого процессора будет требоваться очень небольшая энергия, и поэтому такой процессор сможет работать без внутренних химических источников питания, получая энергию из окружающей среды, в которую он помещён. Благодаря своему низкому энергопотреблению, такие процессоры смогут быть использованы в различных практических приложения, как, например, автономные детекторы и вживляемые в организм имплантаты.
К. Рой (Roy) с коллегами в Университете Содружества, штат Вирджиния, заявили, что они могут изменить направление намагниченности магнитного материала, затратив при этом чрезвычайно малую энергию. Они могут сделать это на своем устройстве из магнитов нанометровых размеров, затратив при этом меньше чем 0.4×10-18 Дж. Это в свою очередь на 4 порядка меньше, чем минимальная энергия, требуемая современным устройствам для перемагничивания магнитных материалов. Как утверждает К. Рой, потребляемая энергия настолько низкая, что процессор, построенный по этой технологии, может работать на энергии, поглащаемой из окружающей среды, и не нуждается в зарядном устройстве. Предложенная модель центрального процессора, состоящего из мультиферроика, содержит пьезоэлектрический слой, приложение электрического напряжения к которому вызывает механические деформации материала. Эти деформации действуют на слой магнитного материала, создавая в нем механические напряжения, от чего намагниченность изменяет направление на противоположное. Электрическое напряжение, требуемое для создания необходимых деформаций в магнитном слое, составляет около 10 мВ. Поскольку энергия, потребляемая магнитом, пропорциональна квадрату напряжения, то энергия, необходимая для переключения одного бита, также очень мала. Традиционные транзисторы переключаются за 1 наносекунду и используют 106 kBТ за цикл (здесь kB -постояная Больцмана, T – температура), а полученные учёными из Вирджинии результаты показали, что наномультиферроики, переключаясь за то же время, тратят лишь 200 kBТ за цикл.
Возможные приложения этой новой технологии включает в себя медицинские устройства, такие как процессоры, имплантируемые в мозг пациента. Они сканируют электромагнитные волны, излучаемые головным мозгом, чтобы предупредить эпилептический припадок, а приводятся в работу всего лишь за счет движения головы пациента. Еще одно возможное применение предложенного процессора – использование в метеорологических буях, предназначенных для отслеживания изменений температуры морской воды, что необходимо для составления прогнозов погоды и мониторинга окружающей среды. Компьютеры на буях будут получать энергию за счет движения морских волн. Процессоры, закрепленные на мостах, и других постройках, могут следить за износом конструкций, фиксируя акустические вибрации, и, таким образом определяя наличие потенциально опасных трещин в конструкции. Эти устройства будут потреблять энергию колебаний в постройках, вызванную ветром, или даже проходящими автомобилями.
Намагниченность описанных наномультиферроиков меняется скачкообразно, и ученые полагают, что благодаря этому устройства на их основе могут быть использованы для разработки искусственных синапсов, являющихся центральными устройствами обработки информации в нервной системе. Логическая схема из таких магнитных процессоров может работать как «ассоциативная память» и использоваться для распознавания изображений, потребляя при этом крайне незначительную энергию.
