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.

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.



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.



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.



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!