Метаматеріали від AI відкривають шлях до надшвидкісних спін-хвильових обчислень

Науковці з Токійського наукового університету (TUS) розробили алгоритмічний фреймворк зворотного проєктування для створення двовимірних магнонних кристалів. Завдяки оптимізації топології штучним інтелектом вдалося знайти неінтуїтивні геометрії матеріалів із рекордно широкими магнонними забороненими зонами, що важливо для розробки енергоефективної спінтроніки та «зелених» обчислень.

Результати дослідження під керівництвом професора Масато Коцугі (Masato Kotsugi) та аспіранта Рюноске Нагаоки (Ryunosuke Nagaoka) були опубліковані в журналі Small Structures.

Спінові хвилі (або магнони) - це колективні коливання намагніченості в магнітних матеріалах, обумовлені спінами електронів. На відміну від традиційної електроніки, де носіями інформації є рухомі електрони, спінтроніка оперує хвилями без фізичного перенесення заряду, що суттєво знижує виділення тепла.

Ключовою платформою для керування магнонами є магнонні кристали (МК) - матеріали з періодичною структурою, які регулюють поширення спінових хвиль, так само як напівпровідникові кристали керують рухом електронів.

Головним завданням у цій галузі є створення магнонних заборонених зон (МЗЗ) - діапазонів частот, у яких спінові хвилі не можуть поширюватися. Проте проєктування складних структур (особливо для зон вищих порядків) досі залишалося надскладним завданням через нелінійний зв'язок між геометрією решітки та поведінкою хвиль.

Щоб вийти за межі традиційних конструкторських підходів, вчені застосували метод зворотного проєктування. «Зворотне проєктування дозволяє задати бажані властивості як цільову функцію та оптимізувати параметри за допомогою машинного навчання чи математичних методів, - пояснює професор Масато Коцугі (Masato Kotsugi). - Це розширює простір пошуку, дозволяючи знаходити нестандартні геометрії решіток із максимальними забороненими зонами».

Команда поєднала мікромагнітне моделювання у частотній області (на основі рівняння Ландау–Ліфшиця–Гільберта, FD-LLG) із генетичним алгоритмом (GA). Структура елементарної комірки двокомпонентного магнонного кристала (оксид європію та залізо) кодувалася у вигляді бінарного вектора. Алгоритм FD-LLG швидко обчислював ширину забороненої зони для поточного варіанта. Генетичний алгоритм генерував наступне «покоління» структур, поступово оптимізуючи форму комірки.

У результаті система сформувала топологічно оптимізовані структури з рекордною шириною повної магнонної забороненої зони (CMBG) між четвертою та п'ятою зонами, створення яких за допомогою людської інтуїції було малоймовірним.

Щоб зрозуміти принципи, знайдені штучним інтелектом, науковці використали модифіковану систему пояснюваного машинного навчання (explainable AI). Аналіз показав, що на вищих енергетичних зонах простір рішень стає більш складним і містить безліч можливих комбінацій.

Розробка відкриває шлях до створення надшвидких спінтронних пристроїв, багаточастотних систем обробки сигналів та енергоефективного обладнання для дата-центрів майбутнього.

«Оптимізовані 2D-магнонні кристали відкривають шлях до розробки пристроїв із гнучкістю, яка виходить далеко за межі традиційного структурного дизайну», — підсумував професор Коцугі.