Саратовский «бутерброд» позволит смартфонам работать дольше… до 100 раз
Буквально на днях из Саратова пришла новость, способная перевернуть всю индустрию электроники. Исследователи Саратовского государственного университета (СГУ) представили технологию, которая бросает вызов главным ограничениям современной вычислительной техники. Их разработка — многослойная структура, которую в научной среде уже окрестили «бутербродом», — открывает путь к созданию устройств, который будут работать на одном заряде в 10-100 раз больше, чем нынешние смартфоны, планшеты или ноутбуки.
Научная работа, опубликованная в авторитетном журнале Applied Physics Letters и поддержанная грантом Российского научного фонда, — это не очередная «теоретическая теория». Это реальный шанс для России возглавить мировую гонку за энергоэффективными технологиями.
Увы, но современная электроника давно топчется перед барьером, преодолеть который не в силах. Чем мощнее процессор, тем больше он потребляет энергии и, соответственно, сильнее нагревается. Виной тому — парадигма, доминирующая сегодня в электронике, которая основана на управлении электрическими токами. Согласно ей, движение электронов по проводникам неизбежно сопровождается выделением тепла, что приводит к колоссальным потерям энергии. Это основная причина, по которой смартфоны требуют ежедневной зарядки, а ноутбукам нужны массивные системы охлаждения.

Быстрый разряд устройств — это барьер, в который уперлась современная электроника
Российские ученые предложили принципиально иной подход, красиво обходящий эту проблему. Исследователи из СГУ разработали структуру, в которой нижний слой представляет собой пьезоэлектрик, а верхний — магнитный материал гематит (α-Fe₂O₃).
Ключевая идея новой технологии заключается в том, что для управления магнитными свойствами гематита не требуется пропускать через него ток или создавать мощное внешнее магнитное поле. Вместо этого используется деформация пьезоэлектрика. При подаче даже слабого электрического поля пьезоэлектрический слой сжимается или растягивается, и эта механическая деформация передается магнитному слою, изменяя его свойства. Как отмечают исследователи, такой метод «резко снижает тепловые потери, что является главным недостатком традиционных методов».
Что конкретно удалось достичь с помощью этого «бутерброда»? Суть открытия заключается в управлении антиферромагнитным резонансом — специфической частотой, на которой колеблются спины в магнитном материале. Можно провести аналогию с музыкальным инструментом, у которого есть основная частота звучания.

Визуализация саратовского «бутерброда»
Это означает, что ученые нашли «ручку настройки» для магнитного материала, которой можно управлять чисто электрически, без затратных энергетических процессов. Подали напряжение — пьезоэлектрик деформировался, магнитный слой изменил свою «резонансную частоту». Все это происходит без протекания тока в магнитном слое, а значит, без выделения джоулева тепла. Такой контроль критически важен для работы в гига- и субтерагерцовом диапазонах частот, где будущие процессоры смогут демонстрировать беспрецедентную скорость.
Мировые научные группы в США, Китае и Европе также экспериментируют с подобными многослойными структурами. Однако выбор доступного гематита в сочетании с пьезоэлектриком и достигнутый диапазон настройки выводят разработку саратовских физиков в число фаворитов.
Ну а теперь переходим к практической ценности данного открытия. Для переноса информации новая технология использует не традиционные электроны, а спиновые волны (магноны). Если проводить аналогию, то это похоже на передачу волн по поверхности воды, а не путем перетаскивания самих капель.
Управление магнитными свойствами с помощью электрического поля — это именно тот ключ, который необходим для создания практических магнонных устройств. На основе такой технологии можно разрабатывать чипы для обработки информации, которые будут потреблять в 10–100 раз меньше энергии, чем современные аналоги.
Соответственно, появляется шанс, что будут созданы смартфоны, которые смогут работать без подзарядки неделями. Ну компьютеры, особенно ноутбуки, перестанут греться и противно шуметь своими вентиляторами. И да, ноутбуки будут работать от одного заряда значительно дольше.

Смартфоны, работающие неделями, — это уже не фантастика
Еще одна замечательная новость: открытие саратовских ученых не является единичным. Оно сделано в рамках программы «Приоритет-2030», которая нацелена на создание прорывных научных заделов.
Что касается используемых материалов (пьезоэлектриков и гематита), то они отлично известны в промышленности. Пьезоэлектрики десятилетиями применяются в датчиках, системах навигации и медицинской технике, а гематит, знакомая всем железная руда, теперь получает шанс стать основой для высокочастотной электроники следующего поколения.
Разумеется, пока рано говорить о том, когда первые процессоры на основе этой технологии появятся в наших гаджетах. Путь от лабораторного образца до массового производства требует времени, инвестиций и инженерной работы. Однако сам факт, что этот путь был обозначен именно в России, дает всем нам — и научному сообществу, и простым пользователям — весомый повод смотреть в будущее с уверенностью и определенной гордостью. Как говорится, все шансы у нас есть. Главное — не упустить их!
Научная работа, опубликованная в авторитетном журнале Applied Physics Letters и поддержанная грантом Российского научного фонда, — это не очередная «теоретическая теория». Это реальный шанс для России возглавить мировую гонку за энергоэффективными технологиями.
Выход из тупика
Увы, но современная электроника давно топчется перед барьером, преодолеть который не в силах. Чем мощнее процессор, тем больше он потребляет энергии и, соответственно, сильнее нагревается. Виной тому — парадигма, доминирующая сегодня в электронике, которая основана на управлении электрическими токами. Согласно ей, движение электронов по проводникам неизбежно сопровождается выделением тепла, что приводит к колоссальным потерям энергии. Это основная причина, по которой смартфоны требуют ежедневной зарядки, а ноутбукам нужны массивные системы охлаждения.

Быстрый разряд устройств — это барьер, в который уперлась современная электроника
Российские ученые предложили принципиально иной подход, красиво обходящий эту проблему. Исследователи из СГУ разработали структуру, в которой нижний слой представляет собой пьезоэлектрик, а верхний — магнитный материал гематит (α-Fe₂O₃).
Ключевая идея новой технологии заключается в том, что для управления магнитными свойствами гематита не требуется пропускать через него ток или создавать мощное внешнее магнитное поле. Вместо этого используется деформация пьезоэлектрика. При подаче даже слабого электрического поля пьезоэлектрический слой сжимается или растягивается, и эта механическая деформация передается магнитному слою, изменяя его свойства. Как отмечают исследователи, такой метод «резко снижает тепловые потери, что является главным недостатком традиционных методов».
Взгляд с другой стороны
Что конкретно удалось достичь с помощью этого «бутерброда»? Суть открытия заключается в управлении антиферромагнитным резонансом — специфической частотой, на которой колеблются спины в магнитном материале. Можно провести аналогию с музыкальным инструментом, у которого есть основная частота звучания.

Визуализация саратовского «бутерброда»
Это означает, что ученые нашли «ручку настройки» для магнитного материала, которой можно управлять чисто электрически, без затратных энергетических процессов. Подали напряжение — пьезоэлектрик деформировался, магнитный слой изменил свою «резонансную частоту». Все это происходит без протекания тока в магнитном слое, а значит, без выделения джоулева тепла. Такой контроль критически важен для работы в гига- и субтерагерцовом диапазонах частот, где будущие процессоры смогут демонстрировать беспрецедентную скорость.
Мировые научные группы в США, Китае и Европе также экспериментируют с подобными многослойными структурами. Однако выбор доступного гематита в сочетании с пьезоэлектриком и достигнутый диапазон настройки выводят разработку саратовских физиков в число фаворитов.
Будущее без розеток
Ну а теперь переходим к практической ценности данного открытия. Для переноса информации новая технология использует не традиционные электроны, а спиновые волны (магноны). Если проводить аналогию, то это похоже на передачу волн по поверхности воды, а не путем перетаскивания самих капель.
Управление магнитными свойствами с помощью электрического поля — это именно тот ключ, который необходим для создания практических магнонных устройств. На основе такой технологии можно разрабатывать чипы для обработки информации, которые будут потреблять в 10–100 раз меньше энергии, чем современные аналоги.
Соответственно, появляется шанс, что будут созданы смартфоны, которые смогут работать без подзарядки неделями. Ну компьютеры, особенно ноутбуки, перестанут греться и противно шуметь своими вентиляторами. И да, ноутбуки будут работать от одного заряда значительно дольше.

Смартфоны, работающие неделями, — это уже не фантастика
Еще одна замечательная новость: открытие саратовских ученых не является единичным. Оно сделано в рамках программы «Приоритет-2030», которая нацелена на создание прорывных научных заделов.
Что касается используемых материалов (пьезоэлектриков и гематита), то они отлично известны в промышленности. Пьезоэлектрики десятилетиями применяются в датчиках, системах навигации и медицинской технике, а гематит, знакомая всем железная руда, теперь получает шанс стать основой для высокочастотной электроники следующего поколения.
Разумеется, пока рано говорить о том, когда первые процессоры на основе этой технологии появятся в наших гаджетах. Путь от лабораторного образца до массового производства требует времени, инвестиций и инженерной работы. Однако сам факт, что этот путь был обозначен именно в России, дает всем нам — и научному сообществу, и простым пользователям — весомый повод смотреть в будущее с уверенностью и определенной гордостью. Как говорится, все шансы у нас есть. Главное — не упустить их!
- Денис Петровский
- ria.ru, rollingstone.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Немецкий ученый был главным в секретной ракетной программе: однажды он вышел из кабинета и исчез навсегда
Как операция «Дамоклов меч» пресекла главную военную операцию целого государства...
Где искать миллионы индейцев, погибших от оспы: новая теория может шокировать
Ученые доказали: могилы не пропали, их никто даже не копал. Но почему так произошло?...
Личность пророка Моисея, возможно, раскрыта: следы ведут к легендарной царице Египта
По словам историков, новое исследование собрало максимальное количество возможных доказательств...
Этим книгам осталось жить считаные дни: кто охотится на очень редкие экземпляры, а затем уничтожает их?
Эксперты бьют тревогу: это, пожалуй, самый циничный поворот в истории книгопечатания...
Самое жаркое лето в истории СССР: кто остановил огненную стихию
Почему в советское время подробности этой экологической катастрофы находились под грифом «совершенно секретно╗?...
Маяки на «космических батарейках»: почему советское наследие оказалось очень опасным?
Когда-то отечественные инженеры отлично справились со своей задачей, но за все в этой жизни нужно платить...
Марсианский детектив: аппарат разбил лазером камни на Красной планете и нашел внутри драгоценности
Почему ученые назвали это открытие огромным прорывом в планетологии?...
Защитника замка словно пропустили через мясорубку: ученые воссоздали действие супероружия XIV века
Почему историки говорят, что это было даже не война, а технологическое шоу?...
Разрушен миф о глупой птице-великане: что нашли ученые в черепе додо с Маврикия?
Сейчас наука считает: нелетающий голубь весом 15 килограмм был незаслуженно оболган. На самом деле, он был совсем другим...
Проект A119: как Америка хотела бороться за мир во всем мире... ядерной бомбардировкой Луны
Почему же эта сверхамбициозная программа в итоге была отменена и что напугало в ней американских генералов?...