Wiriony, czyli miniaturowe struktury sterowane napięciem
Odkryte wiriony to nanometryczne struktury magnetyczne powstające w materiałach ze stopu żelaza, kobaltu i azotu. Ich rozmiary są trudne do wyobrażenia, ponieważ mają zaledwie 280 nanometrów średnicy i 35 nanometrów grubości. Są więc około 300 razy cieńsze niż ludzki włos. Rewolucja tkwi jednak nie w rozmiarze, a w sposobie sterowania. Tradycyjnie stosowane metody wykorzystują prąd elektryczny, co nieuchronnie prowadzi do strat energii w postaci ciepła. Tutaj naukowcy z Universitat Autònoma de Barcelona zastosowali zupełnie inne podejście: kontrolę za pomocą napięcia elektrycznego, poprzez manipulowanie jonami azotu w materiale. Jak wykazano w publikacji naukowej, migracja jonów tworzy płaski front dzielący nanokropkę na warstwy o odmiennych właściwościach magnetycznych. Ta konfiguracja umożliwia płynne przejścia między trzema stanami: paramagnetycznym, jednodomenowym i właśnie wirionowym.
Czytaj też: Kwantowa zagadka szokuje fizyków. Ten gaz zachowuje się wbrew logice
Podstawowa wada obecnych systemów pamięci tkwi w fizyce. Przepływ prądu zawsze generuje bowiem ciepło zgodnie z prawem Joule’a. Wiriony rozwiązują ten problem radykalnie, bo sterowanie napięciowe minimalizuje straty energetyczne.
Procedura aktywacji napięciem, zamiast użycia prądu elektrycznego, zapobiega nagrzewaniu się urządzeń takich jak laptopy, serwery i centra danych, a także drastycznie zmniejsza straty energii — wyjaśnia Irena Spasojević, główna autorka badania
Co istotne, właściwości magnetyczne wirionów można modyfikować nawet po wytworzeniu materiału. Badacze wykazali pełną kontrolę nad kluczowymi parametrami: namagnesowaniem, koercją (siłą potrzebną do zmiany polaryzacji), remanencją (pozostałym namagnesowaniem), anizotropią magnetyczną i polami krytycznymi.
Potencjalne zastosowania. Pamięć i sztuczna inteligencja
Choć technologia jest w fazie laboratoryjnej, jej potencjał trudno ignorować. Wiriony mogą posłużyć do budowy wielostanowych układów pamięci, w których pojedynczy element przechowuje więcej informacji niż tradycyjny bit. To jednak dopiero początek możliwości. Szczególnie intrygujące są perspektywy w obliczeniach neuromorficznych, czyli układach naśladujących pracę ludzkiego mózgu. Unikalna zdolność do analogowej modulacji właściwości magnetycznych czyni wiriony idealnymi kandydatami do symulowania synaps. Podobieństwo do biologicznych procesów nie jest przypadkowe. Działanie wirionów opiera się na sygnałach elektrycznych i migracji jonów, będących mechanizmami analogicznymi do tych występujących w układzie nerwowym.
Aktywność neuronów biologicznych i synaps jest również kontrolowana przez sygnały elektryczne i migrację jonów, analogicznie do naszych jednostek magneto-jonowych — dodaje Spasojević
Czytaj też: Materiał przyszłości już istnieje i jest mocniejszy od stali. ATSP regeneruje się po uszkodzeniach
Ta zbieżność otwiera drogę do tworzenia magnetycznych wag synaptycznych, kluczowych dla rozwoju energooszczędnej sztucznej inteligencji. Wiriony mogłyby działać jako dynamiczne, rekonfigurowalne połączenia w sieciach neuronowych. W dobie lawinowo rosnącego zapotrzebowania na moc obliczeniową, technologie oszczędzające energię stają się palącą koniecznością. Wiriony oferują obiecującą alternatywę dla energochłonnych metod. Naukowcy wskazują też na potencjalne zastosowania w teranostyce, cyberbezpieczeństwie czy magnetycznej logice spinowej. Ale zanim przyjdzie pora na praktyczne wdrożenie, konieczne będą dalsze badania nad trwałością materiałów, skalowalnością produkcji i integracją z istniejącymi technologiami. Mimo to sama koncepcja sterowania magnetyzmem za pomocą napięcia, a nie prądu, wydaje się krokiem w dobrym kierunku. Może nie rewolucja, ale bez wątpienia znaczący postęp w walce z marnowaniem energii.