При поддержке
Что общего между лыжником и флешкой?
Рассказывает Константин Ларионов
Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории цифрового материаловедения НИТУ МИСИС
Сжечь зубную щетку и откопать мумию в Верещагино!
Я немного слукавил. Обычно мы подключаемся к суперкомпьютерам и уже там на тысячах ядер проводим расчет. Как Мюнхгаузен на ядрах летаем. Кстати, почему суперкомпьютер так называется? Потому что он примерно в миллион раз мощнее обычного.
Имеются микроскопы и различные приборы для анализа. Все как у настоящих экспериментаторов, вот только оборудование умещается внутри ноутбука. И хороший теоретик-расчетчик — это человек, который может грамотно поставить компьютерный эксперимент. Иными словами, мы делаем все возможное и невозможное, чтобы не вставать от компа.
В нашей лаборатории можно найти всю таблицу Менделеева: вот натрий, это кремний, а это кто-то пиццу не доел
И вот недавно мне стукнуло 30 лет, 10 из которых я занимаюсь компьютерным моделированием материалов будущего. На что похожа моя работа?.. На работу большинства других ученых,
А дальше… переезд в столицу Пермского края, два года учебы в физматлицее и, наконец, поступление еще дальше — в Москву — на Физтех.
Всем привет! Меня зовут Константин, и я создаю материалы будущего. В трехлетнем возрасте я поставил свой первый научный эксперимент: сжег зубные щетки в духовке.
В семь лет я твердо решил стать археологом, как Индиана Джонс, и откопать мумию с гробницей, полной золота. К сожалению, с мумиями в Верещагино было тухло. Верещагино — мой родной город на Урале с населением 25 тыс. человек. Хотя пирамида у нас была. Так называлась шашлычка на улице Ленина.
В школьные годы я успешно совмещал участие в предметных олимпиадах с играми за гаражами; школьные турниры по «Что? Где? Когда?» — с играми за гаражами. В «Что? Где? Когда?» песня обрубается, а в Верещагино она звучит: «Что наша жи-и-изнь? Игра… за гаражами».
изучающих различные материалы, из которых впоследствии делают самолеты, дома, компьютеры и медицинские приборы.
Ну супер же, да?!
тест
Какую «огромную проблему» современная наука призвана срочно разрешить, чтобы избежать цифрового коллапса?
В мире спинтроники электроны — те еще чудаки! Квантовая физика строго запрещает им дурачиться, разрешая только две позы. Какие?
Какой ключевой принцип в «магнитном сэндвиче» использует специально разработанный сплав (на основе железа, кобальта, галлия и германия), чтобы «сильно мешать одним электронам и сильно помогать другим»?
Играя с магнитами «вверх-вниз», случайно (или не очень) изобрели кое-что, что теперь хранит ВООБЩЕ ВСЮ информацию, как те самые нули и единицы! Что это за чудо?
КМС — это не про спортивные достижения, а про что-то очень важное в мире электроники. Что же это за загадочный КМС, который чем выше, тем лучше для наших устройств?
Ой-ой-ой. Кажется, кто-то запутался в лекарствах и должен посмотреть выступление спикера снова.
Поздравляем! Почти победа! Чтобы окончательно и бесповоротно разобраться в нефи — посмотри выступление Марии или прочти краткий текст
БРАВО! За лекарства можно не волноваться.
Магниты на вашем холодильнике — это не случайность!
Но что, если нам удастся создать новый тип памяти, который будет не только быстрее, но и сможет сохранять информацию, даже когда нет электричества?
Эти важные различия между электронами объясняют, например, намагничивание железа и кобальта… Похлопайте, у кого на холодильнике висят магниты. Именно благодаря спинам электронов ваши дверцы холодильников представляют собой… Эрмитаж.
Схожим образом и в спинтронике. Мы учитываем, что электроны бывают ровно двух видов: со спином вверх или спином вниз. Представьте, что каждый электрон лежит либо на животе, либо на спине. А на боку, вниз головой и в других позах ему запрещает квантовая физика.
Представьте, что раньше люди разбивали куриные яйца и готовили только омлет, где все перемешано. Но затем осознали, что яйцо можно разделить на белок и желток — два компонента, благодаря которым родились такие потрясающие штуки, как безе или яичная лапша (это я у жены уточнял).
Есть традиционная электроника. Лампочка светится, чайник греется, счетчик крутится. И всех волнует только одно: есть электрический ток или его нет. И никого не заботит, что бегающие по проводам электроны бывают двух видов.
В этом нам поможет современный раздел физики: спинтроника. Этот термин является сочетанием двух слов: «спин» и «электроника».
Да, гардероб — это та самая оперативная память, которой не хватает компьютеру, когда вы одновременно открываете эксель и гугл хром. В настоящий момент повсеместно используется динамический ее вариант, и ее главная проблема в том, что, как только вы выключаете ноутбук, вся информация из оперативки мгновенно улетучивается.
— и быстрая оперативная память, которая, как ловкие сотрудницы гардероба, очень быстро забирает и выдает одежду. А если без петельки, то с чуть меньшим энтузиазмом.
— долгосрочная, по типу жесткого диска, на котором, как в кладовке, можно хранить зимние вещи, доставая их раз в год;
И здесь я отмечу, что для нас, обычных людей с телефонами и компьютерами, важны два вида памяти:
Итак, нам постоянно требуются новые методы хранения и обработки информации.
И примерно 50 лет назад был даже сформулирован закон Мура, согласно которому для поддержания темпов роста мемов с котиками требуется постоянный прогресс в области электроники. Серьезно, вы же не думали, что человек с фамилией Мур мог мотивировать ученых к работе каким-то иным способом!
У нас проблема! С каждым годом в мире появляется все больше… мемов с котиками. Все эти смешные картинки, которые мы с любовью пересылаем друг другу, необходимо где-то хранить и как-то обрабатывать.
Электроника
Спин
И так мы можем менять проводимость электронов: она либо увеличивается, либо уменьшается.
а второй — стрельба
Меняя по собственному желанию намагниченности вверх или вниз, мы получаем либо две лыжни (параллельный случай), либо лыжню и стрельбу (антипараллельный случай).
Изменим условия! Те же два магнита намагнитим вверх — получим параллельный случай, или две лыжни. Снова пустим электрический ток и снова измерим проводимость. Сравним два полученных значения.
И пустим по ним ток, где есть оба вида электронов. Измерим проводимость — то есть насколько легко разным электронам-спортсменам преодолеть эту дистанцию?
Намагниченность вверх будет означать лыжную трассу, а намагниченность вниз — стрельбище.
До Нобелевской премии остается один шаг. Перейдем от спорта к физике. Возьмем два магнита и намагнитим один вверх, а другой вниз.
К чему это приведет? Лыжник будет рваться вперед, а стрелок оба раза побежит на своих двоих. Да еще и по снегу.
Теперь изменим правила соревнования и сделаем два этапа идентичными: например, оба раза лыжня.
Результаты очевидны: каждому из спортсменов будет комфортно на одном этапе и очень грустно на другом.
Первый этап — это лыжня
Каждый из них будет проходить два этапа.
Проведем соревнования, в которых лыжники и стрелки будут участвовать вместе.
И поскольку нам нужен научный прорыв и материалы-рекордсмены, то давайте обратимся к спорту. Представим, что электрон со спином вверх — это лыжник, а со спином вниз — профессиональный стрелок. А электронов-биатлонистов у нас не будет: ты либо отлично катаешься на лыжах, либо метко стреляешь.
А еще, кстати, за открытие этого эффекта дали Нобелевскую премию в 2007 году.
А теперь я расскажу вам о важном эффекте в спинтронике, благодаря ему стал возможен технологический скачок, и сначала появились жесткие диски, а теперь вовсю разрабатываются квантовые компьютеры и карманные устройства для диагностики заболеваний.
На старт, внимание, ТОК!
Чем выше КМС, тем дольше все работает!
И в результате я стал тем, кто впервые решил объединить эти материалы в специальный магнитный сэндвич и исследовал его свойства.
Или из чего сделать терминатора, чтобы он не шел потом в губернаторы.
Для примера рассмотрим ситуацию, когда у нас две лыжни. Видно, что лыжнику очень легко двигаться по маршруту, где совершенно не требуется стрелять. В то же время бедный стрелок оба раза бежит по снегу на своих двоих. (Обиженный и с ружьем — опасно.) В итоге рассчитанная мной проводимость двух видов электронов различается почти в 100 000 раз! А до этого в мире, как правило, эта разница составляла лишь пару сотен. То есть можно сказать, что мой сэндвич как компьютер — супер!
Часть полученных мной результатов сейчас перед вами в виде красочных тестов Роршаха. Каждый из этих рисунков показывает величину проводимости электронов с определенным спином при разных условиях.
Кроме того, два магнита я разделил специальным барьерным слоем, чтобы магниты не конфликтовали друг с другом. Такую конструкцию из электродов и разделяющих их барьеров еще называют «сэндвичами» — потому что действительно похоже.
Я взял магнитные электроды из особого сплава на основе железа, кобальта, галлия и германия. Этот сплав сильно мешает одним спортсменам и сильно помогает другим. Кто-то скажет: «Нечестно!» А я скажу… это же Олимпийский комитет.
Я долгое время изучал материалы, чтобы найти тот самый, с большим коэффициентом магнитосопротивления. Для этих целей я проводил уже знакомые нам соревнования: с двумя этапами и спортсменами.
Благодаря компьютерному моделированию, которым я занимаюсь, ученые могут быстрее и дешевле, чем в реальном эксперименте, разработать новые материалы. И подобрать идеальный состав для конкретной задачи. К примеру, предложить новый прочный и одновременно легкий материал для корпуса космического спутника. Или предсказать новый состав для более эффективной работы солнечных батарей.
Раз у нас была аналогия со спортсменами, то введем важную величину КМС — это не кандидат в мастера спорта, а коэффициент магнитосопротивления. Чем выше это число, тем лучше проявляется эффект и тем надежнее будут работать различные устройства на его основе. Теперь даже если выключить питание компьютера, то информация в оперативной памяти сохранится!
Что общего между Сауроном и мишкой Харибо?
Любите науку, занимайтесь наукой — и она ответит вам взаимностью!
Что ж, к 30 годам я действительно стал своего рода археологом. Ведь любой ученый раскапывает артефакты Вселенной, аккуратно снимая покров неизвестного слой за слоем. А еще завтра моему крохе-сыну исполнится ровно 6 месяцев. И мы с женой с любопытством ждем его первых экспериментов. (Главное — успеть спрятать свою зубную щетку.)
Только задумайтесь, благодаря тому, что ученые однажды заметили различия в крохотных электронах, а кто-то позднее даже научился готовить магнитные сэндвичи, стали возможны глобальные прорывы во многих областях повседневной жизни.
«Вечные» флешки, информация с которых достанется вашим правнукам. Домашние сканеры для ранней диагностики таких заболеваний, как рак, гепатит и ВИЧ. И даже карманные магнитные приборы для оценки работы сердца в режиме реального времени.
Благодаря этим и другим компьютерным расчетам в области спинтроники становятся возможны направленные экспериментальные исследования для создания новых материалов.
Да, теория — лишь начало. В ходе моделирования я действительно впервые показал, что предложенный мной состав магнитного сэндвича может превзойти имеющиеся прототипы магнитной памяти в тысячи раз.
Вот вам, возможно, не смешно, а мой коллега так смеялся, что разлил кофе из чашки Петри.
Согласно независимым исследованиям новозеландских ученых, высота башни Саурона составляет порядка 1500 метров. В то же время средний размер мишки Харибо — около 2 см. Таким образом, эти величины также различаются в 100 тысяч раз, что идеально согласуется с результатами моего исследования.
Согласитесь, график для лыжника со спином вверх — похоже на око Саурона в башне Барад-Дур из «Властелина колец». А график для стрелка со спином вниз — это мармеладный мишка Харибо.
А значит, впереди нас ждут смартфоны и компьютеры, работающие годами без подзарядки. (Apple, извини.)
Рок-звезды российской науки
При поддержке
В спецпроекте использованы мемы и изображения из свободных источников (NASA, портрет Исаака Ньютона кисти Готфрида Книллера, Портрет девушки с карандашом кисти Аньоло Бронзино), платные изображения: Артур Новосильцев/Агентство городских новостей «Москва», Владимир Веленгурин/«КП» — Москва, E2.art.lab/Shutterstock/Fotodom, Stefan. Simonovski/Shutterstock/Fotodom, Triff/Shutterstock/Fotodom, Alexei Tacu/Shutterstock/Fotodom, Retouch man/Shutterstock/Fotodom, Valentina Razumova/Shutterstock/Fotodom, Hayati Kayhan/Shutterstock/Fotodom, Andrew Zarivny/Shutterstock/Fotodom, wedmoments. stock/Shutterstock/Fotodom, Ja Het/Shutterstock/Fotodom, Andrii_K/Shutterstock/Fotodom, Valentina Shilkina/Shutterstock/Fotodom, Undrey/Shutterstock/Fotodom, jose m feito/Shutterstock/Fotodom, Alexey Kljatov/Shutterstock/Fotodom, 3divan/Shutterstock/Fotodom, а также кадры из фильмов «Настоящий Человек-паук» (1966—1968. Marvel Comics Group, Krantz Films. Авторы идеи: Стэн Ли, Стив Дитко), «Хэллоуин Хьюби» (2020. Happy Madison Productions. Сценарий: Тим Херлихи, Адам Сэндлер. Режиссер — Стивен Брилл. Композитор — Руперт Грегсон-Уильямс), «Москва слезам не верит» (1978. Мосфильм. Сценарий — Валентин Черных. Режиссер — Владимир Меньшов. Композитор — Сергей Никитин), «Сумерки» (2008. Goldcrest Pictures, Imprint Entertainment, Maverick Films, Summit Entertainment, Temple Hill Entertainment, Twilight Productions. Сценарий: Мелисса Розенберг, Стефани Майер. Режиссер — Стивен Брилл. Композитор — Картер Бёруэлл), «Симпсоны» (1989—… 20th Television Animation, The Curiosity Company, Fox Television Animation, Gracie Films. Автор идеи: Мэтт Гроунинг).