Группа исследователей, связанная с UNIST, объявила об успешной разработке нового полупроводникового устройства, использующего новый класс материалов, известный как альтермагнетизм. Ожидается, что этот прорыв значительно продвинет разработку сверхбыстрых и энергоэффективных полупроводниковых чипов искусственного интеллекта.
Руководство проекта
Исследование проводилось под совместным руководством профессора Чон У Ю из Департамента материаловедения и инженерии и профессора Чанхи Сон из Департамента физики в UNIST. Команда успешно изготовила магнитные туннельные переходы (MTJ) с использованием альтермагнитного диоксида рутения (RuO₂). Они также измерили практический уровень туннелирования магнетосопротивления (TMR) в этих устройствах, продемонстрировав их потенциал для спинтронных приложений.
Результаты исследования
Исследование проводилось Сунхёном Но из Департамента материаловедения и инженерии и Кюхёном Кимом из Департамента физики в UNIST. Результаты были опубликованы в Physical Review Letters 20 июня 2025 года.
MTJ являются критически важными компонентами в устройствах магнитной оперативной памяти (MRAM). Хотя MRAM предлагает такие преимущества, как энергонезависимость и низкое энергопотребление, его широкое использование ограничено из-за зависимости от ферромагнитных материалов, которым требуются значительные затраты энергии для переворота спина, они имеют ограниченную скорость переключения и чувствительны к внешним магнитным помехам.
Исследователи разработали устройство на основе альтермагнитных материалов, способное преодолеть эти ограничения. В отличие от ферромагнетиков, альтермагнитные материалы могут хранить информацию через спин электрона, при этом меньше подвержены влиянию внешних магнитных полей, что обеспечивает сверхбыстрое переключение.
Используемые материалы и методы
В этом исследовании команда использовала RuO₂, один из наиболее изученных кандидатов в альтермагнитные материалы, хотя его свойства обсуждались. Они синтезировали тонкие плёнки RuO₂ с атомной точностью в условиях высокого вакуума и изготовили MTJ путём последовательного нанесения изолирующих и ферромагнитных слоёв.
При изменении магнитной ориентации ферромагнитного слоя наблюдалось изменение TMR, что является экспериментальным доказательством потенциала устройства в качестве элемента магнитной памяти.
Это исследование знаменует собой первое экспериментальное подтверждение того, что TMR изменяется в зависимости от направления спина в альтермагнитных MTJ, что является важным шагом на пути к созданию альтермагнитных полупроводниковых запоминающих устройств искусственного интеллекта. Команда сейчас работает над усилением величины эффектов TMR в будущих конструкциях устройств.
Проект, проведённый менее чем за год и смоделированный по программе US DARPA, направлен на быстрое достижение прорывных результатов в фундаментальной науке в Корее.
Донг Хо Ким из Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), курирующий проект, заявил: «Это достижение отражает самоотверженность исследователей, изучающих во многом неизведанную область альтермагнетизма. Мы продолжим поддерживать эту технологию, которая может стать значительным шагом вперёд для полупроводниковой промышленности».
Предоставлено
[Ульсанский национальный институт науки и технологий](https://phys.org/partners/ulsan-national-institute-of-science-and-technology/)
Исследование из Университета Тохоку и лаборатории физики и информатики (PHI) в NTT Research, Inc.
Высшая школа информационных наук (GSIS) при Университете Тохоку совместно с лабораторией физики и информатики (PHI) в NTT Research, Inc. опубликовали статью в журнале Quantum Science and Technology. В исследовании изучалась комбинаторная задача кластеризации, типичная для неконтролируемого машинного обучения.
Вместе два учреждения исследуют методы создания крупномасштабной платформы моделирования CIM с использованием традиционных высокопроизводительных вычислений (HPC). Эта крупномасштабная CIM будет иметь решающее значение для создания кибернетических CIM, которые будут широко доступны для решения сложных NP, NP-полных и NP-трудных задач.
Сотрудничество началось в 2023 году, когда профессор Хироаки Кобаяши из GSIS при Университете Тохоку выступил в качестве главного исследователя по соглашению о совместных исследованиях (JRA), а директор лаборатории PHI Ёсихиса Ямамото присоединился к Кобаяши в качестве коллеги от NTT Research.
В рамках JRA Университет Тохоку будет исследовать методы оптимизации третьего поколения кибернетических CIM с использованием платформ HPC. После этого исследования Университет Тохоку изучит векторизацию и распараллеливание ядер в качестве ускорителей и рассмотрит оптимизацию управления данными в иерархии кэш-памяти, а также способы масштабирования кибернетических CIM до 100 миллионов спинов со sparse-соединением на соответствующей платформе.
«Сотрудничество NTT Research с GSIS при Университете Тохоку откроет путь к энергоэффективным и оптимизированным ускорителям машинного обучения», — сказал Ямамото, директор лаборатории PHI в NTT Research.
«Сочетая квантово-оптический формализм и цифровую электронную платформу, наша работа с Университетом Тохоку приближает нас к созданию крупномасштабного симулятора CIM, позволяя создавать кибернетические симуляторы CIM, которые предлагают пользователям доступный и эффективный способ решения стохастических дифференциальных уравнений, описывающих сеть DOPO с квантовым измерением и обратной связью».
Критика проекта
Миссия лаборатории PHI заключается в использовании нелинейных квантово-оптических технологий для создания простых, эффективных и практичных вычислительных машин для решения реальных задач путём перепроектирования аналого-цифровых гибридных компьютеров с использованием фундаментальных принципов квантовой физики и нейронауки, черпая вдохновение из биологических компьютеров, присутствующих в мозге.
В рамках этой миссии лаборатория PHI полагается на CIM, который представляет собой сеть вырожденных оптических параметрических генераторов (DOPO), запрограммированных для решения комбинаторных оптимизационных задач, отображённых в модель Изинга. Модель Изинга — это математическая абстракция магнитных систем, состоящих из конкурентно взаимодействующих спинов или угловых моментов фундаментальных частиц.
В отличие от традиционных и экспериментальных когерентных машин Изинга (CIM), о которых сообщалось ранее в Science, новый предложенный CIM использует среднее число фотонов в импульсе, равное единице, что на восемь порядков меньше, чем число фотонов, существующих в традиционных CIM.
В таких крайне слабых пределах интенсивности света производительность CIM должна оцениваться с помощью квантовой теории, а не классических эвристических моделей.
Результат численного моделирования, основанный на квантовой модели, оказался неожиданным, что резко контрастирует со стандартной картиной. Первоначально предполагалось, что CIM с одним фотоном на импульс страдает от плохого отношения сигнал-шум при измерении внутренних амплитуд импульсов и испытывает трудности со стабильным хранением аналоговой амплитудной информации.
Однако исследовательская группа обнаружила, что в рамках численного моделирования результат оказался совершенно противоположным.
Превосходная производительность однофотонного CIM, обнаруженная в результате сотрудничества, обусловлена квантово-механическим эффектом. В измерительном порту CIM разделитель извлечения импульсов генерирует коррелированный внутренний импульс и извлекаемый импульс для измерения, то есть амплитуда извлекаемого импульса несёт информацию об амплитуде внутреннего импульса.
Эта корреляция между внутренним и извлекаемым импульсами проникает в квантовый режим, несмотря на фоновый шум, что указывает на наличие квантовой запутанности между этими двумя импульсами в однофотонном CIM.
Несмотря на хрупкую природу квантовой запутанности, которая может быть легко разрушена оптическими потерями и фоновым шумом, однофотонный CIM смог преобразовать хрупкую квантовую запутанность в надёжные классические корреляции между измеренным импульсом и всеми остальными импульсами посредством процесса квантового измерения и обратной связи.
Генерация квантовой запутанности и её немедленное преобразование в классическую корреляцию является ключом к пониманию улучшенной производительности однофотонного CIM, чего нет в традиционных CIM, использующих множество фотонов на импульс.
Предоставлено
[Университет Тохоку](https://phys.org/partners/tohoku-university/)