Komputer jako projektant magnonicznych elementów

Schemat odwrotnego procesu projektowania dla elementów magnonicznych. (Obraz: Chloe Kim, Time Illustration Studio) / Szkic odwrotnego projektowania magnoniki (© Chloe Kim, Time Illustration Studio)

Magnetoiczne elementy mają potencjał, aby zrewolucjonizować przemysł elektroniczny. Qi Wang i Andrii Chumak z Uniwersytetu Wiedeńskiego oraz Philipp Pirro z TU Kaiserslautern znacznie przyspieszyli projektowanie wszechstronnych elementów magnetoicznych za pomocą algorytmu opartego na sprzężeniu zwrotnym. Ich „odwrotne projektowanie” elementów magnetoicznych jest teraz publikowane w Nature Communications.

Dziedzina magnoniki oferuje nowy sposób energooszczędnej przetwarzania informacji, w którym magnony, kwanty fal spinowych, zamiast elektronów, przekazują i przetwarzają dane. Celem tej dziedziny jest tworzenie magnetoicznych układów, które są mniejsze i bardziej energooszczędne niż obecne układy elektroniczne.

Do niedawna rozwój funkcjonalnego elementu magnetoicznego mógł zająć lata prób i błędów. Teraz naukowcy z Uniwersytetu Wiedeńskiego i TU Kaiserslautern opracowali nową metodę, która pozwala na projektowanie nowych elementów w znacznie krótszym czasie. Ponadto, dzięki tej nowatorskiej „metodzie odwrotnego projektowania”, można pokonać dotychczasowy problem: elementy były przeznaczone tylko do jednej funkcji. Dzięki proponowanej nowej koncepcji podstawowe urządzenie można łatwo zmodyfikować, aby pełniło dowolną funkcję.

Qi Wang, główny autor badania opublikowanego w Nature Communications, zaproponował przeniesienie metody stosowanej w fotonice na magnonikę, gdzie podejście to działa jeszcze lepiej. Trzy podstawowe zasady przedstawione na rysunku pomagają wyjaśnić ten proces. Najpierw naukowcy ustalają pożądaną funkcję elementu, na przykład Y-zirkulator, jedno z najczęstszych urządzeń do rozdzielania kierunków sygnałów w technice systemowej. Urządzenie to kieruje fale spinowe z jednego portu do drugiego zgodnie z warunkami cyrkulacji: fala z portu 1 powinna trafić do portu 2, fala z portu 2 do portu 3, a z portu 3 do portu 1. Następnie „zadanie” to jest tłumaczone na język komputerowy. Komputer generuje losowe struktury i krok po kroku je optymalizuje, aby osiągnąć pożądaną funkcjonalność. Proces ten, oparty na metodzie prób i błędów, jest realizowany bardzo szybko i dzięki inteligentnemu algorytmowi prowadzi do zoptymalizowanego rozwiązania. Wynikiem jest projekt działającego urządzenia z funkcjami wyznaczonymi przez naukowców. Jak to ujął dr Wang z Uniwersytetu Wiedeńskiego: „[...] otwiera to drzwi do dużych zintegrowanych magnetoicznych układów, o dowolnej funkcjonalności i wysokiej złożoności.”

Przedstawione podejście czyni zbędnym czasochłonne eksperymenty w procesie projektowania i zamiast tego podkreśla znaczenie wyobraźni naukowców, którzy ustalają parametry i cele dla urządzeń projektowanych przez komputer. Przykład tego kreatywnego procesu pochodzi od Philippa Pirro, naukowca z TU Kaiserslautern: „Dzięki odwrotnemu projektowaniu można by opracować neurony, jakie występują w naszym mózgu, tylko zbudowane z elementów magnetoicznych.”

Entuzjazm wobec możliwości tego podejścia opiera się na jego zdolności do tworzenia różnych funkcji. W swoim artykule naukowcy opisują, jak stworzyli szereg różnych urządzeń. Oprócz wspomnianego Y-zirkulatora zrealizowali także „multiplexer”, który rozdziela fale o określonej częstotliwości do jednego kanału, a fale o innej częstotliwości do innego kanału. Tego rodzaju urządzenia są wykorzystywane na co dzień do umożliwienia szybkiego internetu. Ostatnim zaprezentowanym urządzeniem jest „nieliniowy przełącznik”, który rozdziela fale spinowe o różnych energiach: wysyła falę o niskiej mocy do jednego wyjścia, a falę o wysokiej mocy do innego. Andrii Chumak, kierownik grupy badawczej na Uniwersytecie Wiedeńskim, zwraca jednak uwagę: „Nasze badanie otwiera nową dziedzinę z dużymi perspektywami — odwrotnie projektowaną magnonikę. Podejście to dotychczas było demonstrowane jedynie numerycznie. Kolejne wyzwanie to wdrożenie tego w eksperymentach.”

Odnośnie potencjału swoich odkryć, Qi Wang żartobliwie komentuje: „Gdybym miał dostęp do metody odwrotnego projektowania na początku studiów, szybciej ukończyłbym doktorat!”