Ну, как всё... не всё, конечно. Классическая электроника в вычислительной технике будет присутствовать ещё не одно десятилетие, и переход к спинтронике (по сути, это раздел квантовой электроники), судя по всему, будет постепенным, поскольку оба принципа действия технически можно объединять, создавая гибридные элементы. Одновременно сюда подтянется и фотоника...
В общем, на мой взгляд, начинается эра гибридных технологий, поскольку между всеми тремя физическими принципами легко прослеживается прямая физическая связь. Одно может воздействовать на другое, и используя этот симбиоз технологий можно получить довольно интересные гибридные конструкции в рамках одной микросхемы.
Немного поясню, в чём заключается смысл разных принципов действия. Классическая электроника — это когда сигнал от транзистора к транзистору передаётся электрическим током — зарядами, носителями которых являются электроны. Замечу, что сейчас мы не будем углубляться в сторону многочисленных альтернативных моделей сути электрического тока, ибо это выходит за рамки настоящей статьи.
В фотонике сигнал передаётся светом — фотонами. При этом фотоны могут взаимодействовать с электронами, например, повышая их энергетический уровень. То есть, возможно относительно несложное объединение двух этих способов передачи сигнала в рамках одного чипа. Также существуют приёмы взаимодействия фотонов со спинами электронов. О спинах электронов и пойдёт речь ниже.
Спинтроника (магноника)
В спинтронике сигнал передаётся спинами электронов. Спин электрона — это одна из его характеристик. Не будем углубляться в физику, просто в контексте темы этой статьи с большим упрощением представим, что спин электрона — это ориентация его магнитных полюсов, условно вверх или вниз. Представим электрон как маленький магнит. Если спины всех электронов в куске железа выстроить в одну и ту же сторону, например, вверх, то и весь этот кусок железа превратится в магнит.
Но если в классической электронике сигнал передаётся движением электронов, в фотонике — движением фотонов, то в спинтронике электроны могут оставаться на своих местах, а спин передавать спиновой (магнитной) волной. То есть, мы как бы перевернули спин электрона с одного конца провода, а он крутанулся, и встал на место, но пока вставал на место — он крутанул спин своего соседа, и так далее. И эта магнитная волна побежала по проводнику (точнее, по волноводу).
Такую единичную элементарную магнитную волну для упрощения представляют квазичастицей — магноном, а раздел спинтроники, занимающийся этими квазичастицами — магноникой.
Магноника — раздел квантовой электроники, занимающийся изучением магнонного переноса энергии или информации в твердотельных веществах, и соответствующая инженерная область.
В устройствах магноники, в отличие от устройств обычной электроники, энергию или информацию переносит не электрический ток, а ток магнонов.
Квазичастица — это не частица, а локализованная в некоторой точке характерная частице совокупность свойств окружающего вещества. Например, квазичастицей является «дырка» в полупроводниках. Дырка — это тоже квазичастица, которая представляет собой не настоящую частицу, а просто отсутствие электрона там, где он должен быть, в результате чего область получает положительный заряд. Магнон — тоже не частица, а просто перемещающееся в пространстве от электрона к электрону их (электронов) спиновое состояние.
Магнон можно представить в виде бегущего огня ёлочной гирлянды. Лампочки (электроны) в гирлянде всегда стоят на месте, но благодаря их упорядоченному последовательному включению-отключению мы видим как бы перемещающуюся по гирлянде зажжённую лампочку. Так вот этот бегущий огонь и есть квазилампочка магнон, формируемая изменением состояний настоящих лампочек..
На перемещение магнона тратится намного меньше энергии, чем на продирание реального электрона сквозь дебри кристаллической решётки проводника. Это означает, что, используя магноны, можно делать намного более экономичные и настолько же более высокочастотные микропроцессоры.
Но магноны хороши не только для передачи сигналов, но и для их хранения! Дело в том, что магноны могут закручиваться в очень маленькие но устойчивые магнонные вихри, называемые скирмионами:
Эти магнитные вихревые структуры обладают топологической устойчивостью, заключающейся в том, что возмущения могут изменить направления спинов, но не могут изменить наличие самой этой закрученности. Благодаря топологической устойчивости скирмионы можно использовать для хранения в веществе двоичной информации, полагая за ноль и единицу существование или отсутствие скирмиона.
Поскольку размеры таких вихрей могут составлять единицы нанометров, это сулит значительное возрастание плотности хранения информации. Традиционные магнитные домены (области одинакового направления намагниченности) столь маленького размера неспособны хранить информацию в течение длительного времени из-за спонтанного перемагничивания, которое происходит под воздействием соседних доменов или из-за флуктуаций.
Магноникой в настоящее время активно занимаются и российские физики, например, в МФТИ, НИТУ «МИСиС», Институте общей физики им. А.М. Прохорова, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН, Саратовском государственном университете и т.д. и т.п. Задействовано на удивление много различных институтов. Так что не исключено, что на новом этапе развития вычислительной техники, основанной на новых материалах, мы окажемся в первых рядах науки. Нам бы ещё серийные технологии производства опять не упустить...
На этом на сегодня всё. Ставьте нравлики, если статья показалась вам интересной. Подписывайтесь на канал и добро пожаловать в комментарии! :-)