Исследовательская группа, 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, энергоэффективных полупроводниковых чипов искусственного интеллекта.
Группа учёных во главе с профессорами Юнг-Ву Ю из Департамента материаловедения и инженерии и Чанхи Соном из Департамента физики в UNIST успешно изготовила магнитные туннельные переходы (MTJ) с использованием альтермагнитного оксида рутения (RuO₂). Они также измерили практический уровень туннельного магнитосопротивления (TMR) в этих устройствах, продемонстрировав их потенциал для спинтронных приложений.
Исследование проводилось под руководством Сонхёна Но из Департамента материаловедения и инженерии и Кюхёна Кима из Департамента физики в UNIST. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters 20 июня 2025 года.
MTJ являются важными компонентами в устройствах с магнитным произвольным доступом (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 электронов, при этом меньше подвержены влиянию внешних магнитных полей, что обеспечивает сверхбыстрое переключение.
В этом исследовании команда использовала RuO₂, один из наиболее изученных альтермагнитных кандидатов, 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 послужило 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.
ДонгХо 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
Больше материалов по другим физическим темам можно найти здесь.
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».
Критически важной для JRA является миссия лаборатории PHI по использованию 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 неврологии, 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 на 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, новая предложенная CIM использует среднее число фотонов в импульсе, равное единице, что на восемь порядков меньше, чем число фотонов, существующих в традиционных CIM.
В таких условиях крайне слабого 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 в импульсе 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 извлечённый импульс для измерения, то есть амплитуда извлечённого импульса несёт информацию об амплитуде внутреннего импульса.
Эта корреляция между внутренним и извлечённым 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 много фотонов в импульсе.
Заглядывая в будущее, NTT Research продолжит сотрудничество с GSIS при университете Тохоку, чтобы перейти к физической реализации однофотонного CIM, опираясь на его теоретическую проверку и разрабатывая Cyber CIM — крупномасштабную среду моделирования. Эти усилия проложат путь к быстрым и энергоэффективным решениям реальных промышленных задач.
Предоставлено
Университет Тохоку
Больше материалов по квантовой физике можно найти здесь.