Počítač jako návrhář magnonických součástek

Schéma inverzního návrhového procesu pro magnonické součástky. (Obrázek: Chloe Kim, Time Illustration Studio) / Náčrt inverzního návrhu magnoniky (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

Magnonové součástky mají potenciál revoluční změny v elektronickém průmyslu. Qi Wang a Andrii Chumak z Vídeňské univerzity a Philipp Pirro z Technické univerzity Kaiserslautern výrazně urychlili návrh všestranných magnonových součástek pomocí algoritmu založeného na zpětné vazbě. Jejich „inverzní návrh“ magnonových součástek je nyní publikován v časopise Nature Communications.

Obor magnoniky nabízí nový způsob energeticky úsporné zpracování informací, při kterém data přenášejí a zpracovávají magnony, kvanta spinových vln, namísto elektronů. Cílem tohoto oboru je vytvářet magnonové obvody, které jsou menší a energeticky efektivnější než současné elektronické obvody.

Do nedávna mohla vývoj funkční magnonové součástky trvat roky zkoušení. Nyní vědci z Vídeňské univerzity a TU Kaiserslautern vyvinuli novou metodu, která umožňuje navrhovat nové součástky v podstatně kratším čase. Navíc efektivita této nové „inverzní návrhové metody“ pomáhá překonat dosavadní problém: součástky byly vhodné pouze pro jednu funkci. Díky navrženému novému konceptu lze základní zařízení snadno upravit tak, aby vykonávalo jakoukoli funkci.

Qi Wang, hlavní autor studie publikované v časopise Nature Communications, navrhl převést metodu používanou v oblasti fotoniky na magnoniku, kde podle důkazů funguje ještě lépe. Tři základní principy znázorněné na obrázku pomáhají vysvětlit celý proces. Nejprve vědci stanoví požadovanou funkci součástky, například Y-krátkovač, což je jedna z nejčastějších komponent pro rozdělení signálových směrů v systémové technice. Tento prvek je zařízení, které přivádí spinové vlny z jednoho připojení do druhého podle cirkulačního pravidla: vlna z připojení 1 má být vedena do připojení 2, vlna z připojení 2 do připojení 3 a z připojení 3 zpět do připojení 1. Poté je tato „úloha“ přeložena do počítačového jazyka. Nakonec počítač náhodně generuje struktury a krok za krokem je optimalizuje, aby dosáhl požadované funkčnosti. Tento proces pokusů a omylů je prováděn velmi rychle a díky inteligentnímu algoritmu vede k optimalizovanému řešení. Výsledkem je návrh funkčního zařízení s požadovanými funkcemi. Jak to vyjádřil Dr. Wang z Vídeňské univerzity: „[...] otevírá dveře k velkým integrovaným magnonovým obvodům, s libovolnou funkcionalitou a vysokou složitostí.“

Navržený přístup činí zbytečné časově náročné experimenty při návrhu a místo toho zdůrazňuje důležitost představivosti vědců, kteří stanovují parametry a cíle pro zařízení navržená počítačem. Příklad tohoto kreativního procesu přichází od Philippa Pirra, vědce z TU Kaiserslautern: „S inverzním návrhem bychom mohli vyvinout neurony, jaké se vyskytují v našem mozku, jen složené z magnonových prvků.“

Nadšení z možností tohoto přístupu je založeno na jeho schopnosti vytvářet různé funkce. Ve svém článku vědci popisují, jak vytvořili řadu různých zařízení. Kromě zmíněného Y-krátkovače realizovali také „multiplexer“, který rozděluje vlnu s určitým kmitočtem do jednoho kanálu a vlnu s jiným kmitočtem do jiného kanálu. Tento typ zařízení se používá v našem každodenním životě k umožnění rychlého internetu. Poslední předvedený přístroj je „nelineární spínač“, který rozděluje spinové vlny různých energií: vysílá vlnu s nízkým výkonem na jeden výstup a vlnu s vysokým výkonem na jiný. Andrii Chumak, vedoucí výzkumné skupiny na Vídeňské univerzitě, však upozorňuje: „Naše studie otevírá nové pole s velkým potenciálem, inverzně navržená magnonika. Tento přístup dosud byl demonstrován pouze numericky. Další velkou výzvou je jeho realizace v experimentech.“

Co se týče potenciálu jejich poznatků, Qi Wang vtipně poznamenal: „Kdybych měl již na začátku svého studia k dispozici inverzní návrhový přístup, byl bych mnohem rychleji hotový s doktorskou prací!“