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
«Код» таинственной золотой подводной сферы наконец-то взломан спустя три года
Ученые говорят: это был настоящий ДНК-детектив. Внеземная «капсула» оказалась «деталью» морского гиганта...
Битва под Каневом: почему на 350 лет замолчали сокрушительную победу России?
Неудобная победа, предательство и идеология. Мы бы могли вообще не узнать об этом триумфе русского оружия...
Бомбы с орбиты: почему советская технология, воскрешенная Китаем, встревожила США?
Американцы слишком долго считали свои системы раннего предупреждения лучшими на планете. Теперь......
С Ноева ковчега сняли запрет: что покажут радары на Арарате?
История, которую больше всего высмеивали ученые, неожиданно становится все более реальной...
Почему их ДНК не меняется уже 42 000 лет: определен самый древний народ на планете
Три раза предки жителей Океании встречались с исчезнувшими видами людей, и это в корне изменило их гены...
Тайна «косого глаза» Венеры раскрыта: что увидела нейросеть на картинах Боттичелли?
Художник нарисовал пять портретов прекрасной Симонетты Веспуччи. И каждое полотно еще больше подтверждает страшный диагноз...
Дикий народ чучуна: Кто наводил ужас на коренное население Сибири?
Йети? Люди-изгои? Древнее племя? Пока что вопросов больше, чем ответов...
Новая вселенная внутри звезды: почему Эйнштейн мог ошибаться насчет черных дыр
Больше 20 лет эта гипотеза в буквальном смысле раздирает мир науки. Но, возможно, именно она выведет ученых из тупика сингулярности...
Мрачный прогноз для США из 1995 года сбылся: в чем великий ученый Саган оказался прав?
Исследователь говорил: все плохо, но еще не все потеряно. Его советы могут реально помочь всему человечеству...
За что Владимир Ленин трижды выдвигался на Нобелевскую премию?
Почему самая большая «мирная» награда так и не дошла до главного большевика?...
Прорыв в астрономии: найти жизнь в космосе будет гораздо проще
Ученых не пугает даже погрешность в 20%. Зато будут просканированы тысячи планет...
Марс под вопросом: что может обнулить иммунитет у космонавтов?
И почему защита организма перестает видеть микробы, выжившие в космосе?...
43 — проклятый возраст Рюриковичей: почему многие князья не переживали этот роковой рубеж?
Генетики говорят: русская династия слишком поздно поняла, что попала в ловушку «чистой» крови...
Снегопады в Антарктиде становятся все аномальнее: и ученые, наконец-то, знают почему?
Ученым придется пересмотреть все климатические модели Шестого континента. Кстати, снега там будет выпадать с каждым годом все больше...
Доказана жизнь на спутнике Юпитера: как же бактериям удалось добраться с Земли на Европу?
За 3,5 миллиарда лет земные бактерии могли долететь до 105 звездных систем. Так что у Европы есть все шансы на «заражение»...
Сначала Стоунхендж был... деревянным: найден прототип легендарного святилища
Доисторическая религия оказалась старше на 500 лет, чем считали ученые. И она играла огромную роль в жизни древних людей...