Számítógép mint mágneses alkatrészek tervezője

Az inverz tervezési folyamat sémája magnonikus alkatrészekhez. (Kép: Chloe Kim, Time Illustration Studio) / Az inverz tervezés magnonikájának vázlata (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

A mágneses eszközök potenciálisan forradalmasíthatják az elektronikai ipart. Qi Wang és Andrii Chumak a Bécsi Egyetemről, valamint Philipp Pirro a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetemről jelentős mértékben felgyorsították sokoldalú mágneses eszközök tervezését egy visszacsatolás alapú algoritmus segítségével. Az általuk „fordított tervezésnek” nevezett mágneses eszközök most a Nature Communications folyóiratban kerülnek publikálásra.

A mágnesesség területe egy új energiatakarékos információfeldolgozási módszert kínál, ahol a spin hullám kvantumai, azaz magnónok, az elektronok helyett adatokat továbbítanak és dolgoznak fel. Ennek a területnek a célja olyan mágneses áramkörök létrehozása, amelyek kisebbek és energiahatékonyabbak, mint a jelenlegi elektronikus áramkörök.

Nemrég még éveket vett igénybe egy működőképes mágneses eszköz kifejlesztése. Most azonban a Bécsi Egyetem és a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetem kutatói kifejlesztettek egy új módszert, amely lehetővé teszi új eszközök tervezését lényegesen rövidebb idő alatt. Ráadásul ez az új „fordított tervezési módszer” által nyert hatékonyság segít megoldani egy eddig fennálló problémát: az eszközök eddig csak egyetlen funkcióra voltak alkalmasak. Az általuk javasolt új koncepciónak köszönhetően egy alapeszköz könnyen módosítható bármilyen funkció végrehajtására.

Qi Wang, a Nature Communications-ban megjelent tanulmány első szerzője javasolta, hogy egy, a fotonikában alkalmazott módszert adaptáljunk a mágnesesség területére, ahol az az eljárás még hatékonyabbnak bizonyult. A képen három alapelvet mutatunk be, amelyek segítenek megérteni a folyamatot. Először a kutatók meghatározzák a kívánt funkciót, például egy Y-zirkulátort, amely az egyik leggyakoribb komponens a rendszertechnikai jelek szétválasztására. Ez az eszköz egy olyan berendezés, amely a spin hullámokat egyik csatlakozástól a másikig irányítja, a zirkulációs feltétel szerint: az első csatlakozásból érkező hullám a másodikba, a másodikból a harmadikba, a harmadikból pedig az elsőbe. Ezután ezt a „feladatot” egy számítógépes nyelvre fordítják. A számítógép véletlenszerű struktúrákat generál, majd lépésről lépésre optimalizálja azokat a kívánt funkcionalitás eléréséhez. Ez a próbálkozás és tévedés módszer gyorsan végrehajtódik, és egy intelligens algoritmus segítségével egy optimalizált megoldáshoz vezet. Ennek eredményeként egy működőképes eszköz terve készül el, amely megfelel a kutatók által kitűzött funkcióknak. Ahogyan Dr. Wang a Bécsi Egyetemen fogalmaz: „[...] megnyitja az utat a nagy integrált mágneses áramkörök előtt, bármilyen funkcionalitással és magas komplexitással.”

A bemutatott megközelítés kiküszöböli a időigényes kísérleteken alapuló tervezést, és hangsúlyozza a kutatók képzeletének szerepét, akik meghatározzák a paramétereket és a célokat a számítógép által tervezett eszközökhöz. Egy példát erre Philipp Pirro, a Kaiserslautern-i Műszaki Egyetem kutatója adja: „Fordított tervezéssel olyan neuronokat lehetne kifejleszteni, amelyek az agyunkban is megtalálhatók, csak mágneses elemekből épülnek fel.”

A módszer lehetőségei iránti lelkesedés abból ered, hogy képes különféle funkciókat létrehozni. Tanulmányukban a tudósok leírják, hogyan hoztak létre többféle eszközt. Például a fent említett Y-zirkulátor mellett megvalósítottak egy „multiplexert”, amely egy adott frekvenciájú hullámot egy csatornába, míg egy másik frekvenciájú hullámot egy másik csatornába irányít. Az ilyen típusú eszközöket mindennapi életünkben a gyors internet biztosítására használják. Az utolsó bemutatott eszköz egy „nemlineáris kapcsoló”, amely különböző energiájú spin hullámokat választ szét: alacsony teljesítményű hullámot küld ki egyik kimenetre, magas teljesítményűt pedig egy másikra. Andrii Chumak, a Bécsi Egyetem kutatócsoportjának vezetője azonban hangsúlyozza: „Tanulmányunk egy új területet nyit meg, a fordított tervezésű mágnesességet. Ez a megközelítés eddig csak numerikus szimulációkkal volt bemutatva. A következő nagy kihívás az, hogy kísérleti úton valósítsuk meg.”

A kutatási eredmények potenciáljára utalva Qi Wang viccesen megjegyezte: „Ha már a tanulmányaim elején lett volna ez a fordított tervezési megközelítés, sokkal gyorsabban végeztem volna a doktori képzésemmel!”