アメリカの研究者たちは、エンジニアが信頼性の高い超低エネルギー計算システムを構築するのに役立つシンプルな幾何学的設計原則を特定しました。このチームは、現代の電子製品が数十億の小さなスイッチに依存しており、それらがオンまたはオフになるたびに電力を消費することを強調しています。したがって、研究者たちは、より少ないエネルギーで同じタスクを実行するための代替手段を探し続けています。
超低エネルギー計算に関して、アルゴンヌ国立研究所の研究は、ナノ磁体の集合体が安定状態に緩和する際に予測可能な方法で行動するか、ランダムに行動するかを決定する幾何学的ルールを明らかにしました。この発見は、標準的なモデル仮定に挑戦し、超低エネルギー計算の新たな可能性を切り開きました。アルゴンヌの材料科学者ハヌ・アラヴァ（Hanu Arava）は、「私たちが特定したのは、構造と機能の関係です。私たちのケースでは、構造は磁体間の幾何学的配置であり、機能はエネルギーがシステム内でどのように移動するかです。
私たちは、単に幾何学的形状がこれらの磁性システム内でエネルギーがどのように移動するかを決定できることを示しました。この洞察は、私たちが計算デバイスを設計するための新しい方法を提供します。」
このプロセスを説明するために、アラヴァはそれを山の頂上からボールを落とすことに例えました。このボールは自然に最も簡単な道を下に転がり、最低点に達します。科学者たちはこの道をエネルギー緩和経路と呼びます——システムが最も安定した状態に向かって移動する際に従う経路です。ナノ磁体システムでは、磁体はその磁場を介してより複雑な方法で相互作用しますが、同じ基本原則に従います：プレスリリースによれば、徐々に最低エネルギー配置に移動します。
この関係を発見するために、研究者たちはアルゴンヌのナノスケール材料センターでシンプルな幾何学的プロセスの研究を行いました。このセンターはアメリカエネルギー省科学局のユーザー施設です。彼らは最初に四つのナノ磁体をギリシャ十字またはプラスの形に配置し、その後、すべての四つの磁体を同時に回転させて正方形を形成しました。このプロセスの各段階で、チームはシステムが最も安定した状態に緩和する様子を測定しました。
幾何学的形状がエネルギー緩和経路に与える直感的フレームワーク
この研究は『マテリアルズ・コミュニケーションズ』に発表され、四つのナノ磁体から成るシンプルなナノ磁体モデルの中間状態の性質を探求しました。システムの探求を通じて、研究者たちは幾何学的形状が多極分析を通じてエネルギー緩和経路にどのように影響するかを示しました。研究者たちは、「私たちはエネルギー緩和経路の性質を詳細に説明し、人工スピンアイス構造における磁性のフラストレーションと準安定状態を理解する上で直接的な意義を持っています。私たちの理論モデルは、磁力顕微鏡測定における場誘導緩和の実験結果によって支持されています。この研究は、人工スピンアイス構造におけるエネルギー緩和を理解するための直感的なフレームワークを提供します。」
チームは、実験が四つのナノ磁体にのみ関与しているにもかかわらず、その結果がより広範な意義を持つことを明らかにしました。より大きな磁性デバイスでは、数千の類似の集合体が協調して動作する必要があります。新しい発見は、エンジニアにシンプルな設計原則を提供します：研究者たちによれば、磁体の回転角度を調整することで、信頼性を持って予測可能な最終状態に到達する能力を調整できます。