Спинтроника: почему это самая нужная физика?

Супербыстрые компьютеры, компьютерное зрение, жесткие диски на терабайты памяти размером с флешку — все это казалось далеким будущим 10-20 лет назад. Но вот случился бум нейросетей, и ChatGPT вошел в нашу рутину. Даже этот текст автор не смог бы написать без объяснений физических явлений через нейросети)

Но думали ли вы, почему такие вычисления вообще стали возможны? Как записывается, хранится и считывается вся эта гигантская информация? Эта задачка не из легких, и решить ее программисты в одиночку не смогли бы. В этом им помогли современные физики, которые занимаются спинтроникой, одной из наиболее перспективных направлений этой науки.

Спин что..?

Спинтроника — область электроники, в которой в отличие от обычной, за перенос заряда в проводящем материале, чтобы сохранять и обрабатывать инфу, отвечает не только электрическое, но и магнитное поле. Это особая материя, которая возникает вокруг магнитов или движущихся зарядов частиц. Спинтроника происходит от «спина» — величины движения электрона, которая позволяет создавать магнитное поле в материале и записывать/считывать информацию в компьютерном двоичном виде (спин «вверх» — 1, спин «вниз» — 0).

Впервые о новой области электроники начали говорить в 80-х. В 1988 году два физика Альберт Фер и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнитосопротивления (GMR). За это они даже получили Нобелевку по физике, правда позже, в 2007 году. Видимо, когда человечество реально поняло значимость их открытия.

Эта страшная фраза GMR означает, что внутри накопителя информации очень важно сопротивление материалов. Возьмем жесткий диск, внутри него есть магнитная пленка, на которой тонким слоем формируются биты, участки, хранящие информацию. Изменение намагниченности пленки приводит к тому, что мы управляем спином и записываем данные, а когда специальный считыватель фиксирует состояние магнитных полей, мы считываем инфу и получаем ответ на экране.

В самом материале записи, как и в любом другом, есть сопротивление, которое сильно меняется от направления его магнитных полей. В общем, физики смогли применить знание о сопротивлении, чтобы сделать сохранение инфы и ее считывание очень быстрым, а запись — плотной. Также они смогли сделать память энергонезависимой, то есть, чтобы она работала, даже если источник энергии резко пропал.

Что значит плотная запись?

Это первый жесткий диск в мире на 3,75 МБ

А это диск на 1 ТБ (1 000 000 мегабайт), такие начали создавать после открытия эффекта. Вот вам и разница.

Если вам интересно, то GMT конкретно описывает следующее:

если поля идут в одну сторону, то сопротивление — меньше, а если — в разные, оно увеличивается. Электроны, которые переносят ток и делают так, что жесткий диск вообще работает, ведут себя по-разному в зависимости от этого направления. В первом случае электроны легче проходят через материал, а во втором они сильнее рассеиваются, что увеличивает сопротивление. И оно влияет на считывание информации. Но эффект работает только в очень тонких (в несколько нанометров, к слову, толщина листа бумаги — около 100 000 нанометров) многослойных материалах, потому что электроны в них не теряют своей ориентации.

А «гигантским» эффект назвали потому, что величина изменения сопротивления в устройствах достигала 200%, что почти в 100 раз больше, чем позволяли известные тогда технологии.

Сейчас в электронике произошли новые открытия. Теперь на смену GMR пришел TMR (Туннельное магнитное сопротивление), которое появляется, когда в пленочные структуры устройства записи помещают ультратонкие (меньше нанометра) не проводящие эл. ток прослойки. И этот эффект еще в несколько раз круче старого. Благодаря нему мы и получаем ультратонкие жесткие диски на 1+ ТБ памяти, которые стоят космических денег.

Где это все используется?

Кроме устройств хранения памяти, вы встречаетесь с спинтроникой и ее явлениями в датчиках. Их принцип построен на трансформации какой-либо информации в электрический сигнал. Например, так делает датчик расхода топлива в машине. Внутри бензобака есть поплавок с магнитной меткой. Она создает вокруг себя угадайте что? Правильно, магнитное поле. И сенсор реагирует на уменьшение бензина, которое связано с колебаниями величины поля и его положения. Поплавок — это сенсор, а дальше он передает всю инфу датчику. Этими же методами создаются бесконтактные магнитные измерители.

А еще технологии спинтроники используются в:

✅ Создании компьютерных чипов — сейчас современные чипы используют эффект энергонезависимой магнитной памяти, что позволяет не терять данные в экстренных случаях (о ней мы уже говорили).

Еще компьютерные инженеры опытным путем стали использовать при производстве чипов оксид магния и смогли увеличить туннельное магнетосопротивление до 150–200%. Получается, что на крохотной площади чипа можно разместить в десятки тысяч раз больше информации, чем раньше. И технологии только планируют развиваться.

✅ Нейроморфных системах — спиновые устройства могут выполнять функции мозга, объединяя компьютерную память и процессор в одном блоке. Это важно, чтобы сделать чипы еще более быстрыми и мощными. Такие системы двигают работу нейросетей вперед. Хотя сами по себе чипы в какой-то момент столкнулись бы с ограничением памяти на границе возможностей человеческого мозга.

✅ Информационной безопасности — банковские карты и чипы будут защищаться уникальным кодом, который генерируется каждый раз на устройстве. Технологии спинтроники нужны для его бесперебойной кодировки.

✅ Машинном зрении — спиновые датчики могут сильно улучшить работу автопилотов и систем визуального распознавания. Детекторы будут работать стабильно в плохих погодных условиях и станут чувствительнее к отражению электромагнитных волн от приближающихся объектов. В итоге мы перестанем бояться автопилотов, которые в случае аварии среагируют вовремя.

✅ Медицине — спинтроника уже активно используется в слуховых аппаратах, кардио- и нейростимуляторах, что позволяет получить больше информации о состоянии здоровья и сделать более быстро. Еще врачи планируют разработать лекарство от рака в виде таблетки, которая будет управляться врачом на основе технологий спинтроники. Такая манипуляция поможет воздействовать только на пораженный орган, не задевая клетки остальных, как это происходит сейчас.

То есть спинтроника уже используется в нашей повседневности и активно развивается с каждым днем. Уверены, что физики придумают, как еще оптимизировать процессы, протекающие при записи информации, и упростят жизнь миллионов людей.

А вы как думаете, для чего еще можно было бы использовать процессы спинтроники? Делитесь текстом с друзьями и подписывайтесь на «Ломоносовский | медиа МГУ».