Теперь уберите одну монету где-нибудь в середине ряда. Такое происходит, например, если фотон с высокой энергией попадает в материал и выбивает электрон. Предположим, эта монета лежала орлом: теперь на ее месте в материале образовалась дырка. Но кроме того, получился участок концентрации решек, то есть спинов определенного направления. И вот что замечательно: заряд и спин могут перемещаться независимо друг от друга. Чтобы переместить заряд, нужно проделать тот же фокус, что и со шляпами волшебников в главе V: сдвинуть монету, лежащую непосредственно справа от дырки, в результате чего дырка сместится вправо. Если повторить эту операцию еще пару раз, можно избавиться от положительного заряда – холона. Заметим, что при этом две монеты, лежащие решками, окажутся друг рядом с другом. Чтобы сдвинуть двойную решку – спинон, – перевернем левую монету двойной решки орлом кверху. Двойная решка исчезнет, зато слева от того места, где она была, появится двойной орел. Хотя это дает представление о механизме процесса, в реальном материале переворачивается и левая решка, и лежащий слева от нее орел. Таким образом одна двойная решка превращается в другую, сдвинутую на две позиции влево. Это менее резкое изменение магнитного поля, чем переворот лишь одного спина, и оно требует меньше энергии.
Разделение спина и заряда позволяет получить независимое течение спина. Следует подчеркнуть, что такая фракционализация отличается от того, что происходит при образовании магнитных монополей. В монополях заклинание деления отделяет северный полюс от южного. Здесь же заклинание отделяет спин от заряда, но у спина остаются оба полюса.
Хотя многое в фракционализации еще предстоит понять, у нее уже появилось множество разнообразных практических приложений.
Одна из выгод, которых всегда можно ожидать от фундаментальной науки, состоит в том, что развитие экспериментальных методов, необходимое для проверки теорий, приводит к разработке новых технологий, которые используются затем на благо общества. Природа фундаментальных научных исследований такова, что они раздвигают пределы человеческого знания.
Одно из возможных приложений идей, описанных в этой главе, связано с развитием магнитно-резонансной томографии (МРТ)[88]. Используемые в больницах установки МРТ – это огромные и очень дорогостоящие машины. В процедуре МРТ нет ничего приятного: вам приходится лежать в большой трубе, а вокруг вас раздается громкий металлический грохот. Томограф измеряет расположение воды и жиров в теле, определяя его по спинам атомных ядер. Для измерения спинов необходимо прикладывать магнитное поле. Поскольку это поле взаимодействует с ними очень слабо, само оно должно быть чрезвычайно сильным. Этим и объясняются дороговизна, неудобство и большое энергопотребление таких устройств. Уровень применяемого поля определятся чувствительностью измерительной установки. Измерительный прибор, который Ритика Дусад использовала для измерения магнитных монополей, представлял собой самый чувствительный детектор магнитных полей из когда-либо созданных. При большей чувствительности детектора используемое магнитное поле может быть не таким сильным. Дороговизна и неудобство МРТ могут отчасти исчезнуть, что позволит больницам экономить время, электроэнергию и деньги, а пациентов избавит от ощущений, часто бывающих неприятными. В работе, опубликованной в «Трудах Национальной академии наук», уже была продемонстрирована на опыте практическая возможность создания установки МРТ со слабым полем[89].
Электричество и магнетизм повсеместно присутствуют в современных технологиях, но не будет преувеличением сказать, что электричество присутствует более повсеместно: электричество мы получаем у себя дома в любых количествах, чего нельзя сказать о магнетизме. Магнитных токов не существует, потому что не существует магнитных монополей. Если вы попытаетесь передать магнетизм по проводу, вслед за северным полюсом отправится и южный, который его скомпенсирует. Освоение монополей спиновых льдов, возможно, восстановит равновесие. Профессор Стив Брамвелл, бывший одним из первооткрывателей спиновых льдов, предложил для таких магнитных токов особое название – «магнитричество» (magnetricity). Впоследствии он и его коллеги нашли массу подтверждений существования монополей, представляя их себе именно в виде течения магнитричества через спиновый лед.
Правда, эти эмерджентные магнитные монополи могут существовать только в кристаллах спинового льда, а мы вряд ли будем сооружать линии энергопередачи из спиновых льдов и охлаждать их до 2 К – температуры, более низкой, чем температура самой Вселенной. Но, в принципе, мы можем начать внедрять связанную с ними технологию в уже разрабатываемые миниатюрные спинтронные приборы. Магнитричество обещает нам возможность создавать магнитные аналоги любых электронных приборов, способных работать на переменном токе. Это могло бы принести огромную пользу широкомасштабному внедрению спинтроники.
Вернемся к задаче, о которой мы говорили в начале этой главы: может ли фракционализация породить фундаментально новый подход к вычислительным технологиям при нашем переходе в мир, лежащий за пределами области действия закона Мура? Мне кажется, что вероятность этого довольно велика. Одно из уже реализованных применений эмерджентных магнитных монополей – это создание искусственных спиновых льдов, матриц из магнитов, длина каждого из которых составляет около тысячной миллиметра. Всюду, где они встречаются, в конфигурации с самой низкой энергией, как и в спиновом льде, два магнита должны быть ориентированы внутрь, а два – наружу. Уже существуют логические элементы, изготовленные на основе искусственных спиновых льдов. Как и спинтроника, вычислительные системы с искусственными спиновыми льдами могут обладать гораздо большей производительностью, чем системы с передачей заряда. Более того, уже было показано, что искусственные спиновые льды способны работать на пределе Ландауэра, то есть с максимальным коэффициентом полезного действия, допускаемым вторым началом термодинамики[90]. Кроме того, спиновые льды привели к уточнению нашего понимания третьего начала. Как мы помним, оно утверждает, что при абсолютном нуле идеальный кристалл должен находиться в идеально упорядоченном состоянии, из чего следует, что с макросостоянием с наименьшей энергией должно быть совместимо одно-единственное микросостояние. Но у спинового льда – как и у льда обычного – есть приблизительно столько же конфигураций с наименьшей энергией, сколько атомов есть в кристалле. Наличие множественных возможных конфигураций с одной и той же энергией и есть беспорядок: множество микросостояний, совместимых с одним и тем же макросостоянием, то есть высокая энтропия. Осознание этого факта привело к необходимости слегка подправить третье начало. В современном понимании оно выглядит так: по мере приближения температуры к абсолютному нулю материя стремится лишь к состоянию постоянного беспорядка, то есть энтропия стремится не к нулю, а к некой постоянной величине; полностью избавляться от беспорядка не обязательно. Заставив ученых разбираться, как такие материалы вообще могут существовать, не нарушая законов термодинамики, спиновые льды дали нам более ясное понимание самих этих законов.
Эмерджентные магнитные монополи в спиновых льдах – и фракционализация в более широком смысле – это одно из возможных заклинаний деления, которые мы можем использовать для отделения идеи компьютеров от их воплощения в полупроводниках. Электронная промышленность началась с квантовой механики, когда исследователи физики конденсированного состояния впервые поняли, как устроены полупроводники, и ею же и закончится: пределы, которых достигают сейчас полупроводниковые технологии, находятся на таком малоразмерном масштабе, что становятся квантовомеханическими по самой своей природе. В таких мелких электронных приборах электроны перестают слушаться и начинают туннелировать из тех мест, в которых они нам нужны.
Но нам нужно попытаться плыть не против течения квантовой механики, а по нему. Использование квантовых эффектов обещает нам вычислительные мощности, которые сейчас невозможно даже вообразить. В этой главе мы говорили о развитии физики конденсированного состояния в XX веке, вплоть до нынешнего ее состояния, и ее ближайшем будущем. Теперь пришло время заглянуть еще дальше вперед – посмотреть на самую крупную отрасль промышленности 2035 года, сейчас еще не существующую.
VIIЗащитные заклинания
За неимением лучшей аналогии можно сказать, что цикл появления на свет узлоделов похож на реинкарнацию. Для подлинного осмысления этого процесса необходимо хотя бы до некоторой степени понять мировоззрение узлодельческого клана, на которое влияет самая важная, самая мистическая и менее всего сознаваемая посторонними их способность: присущее им точное знание не только прошлого, но и будущего. Ее понимание тесно связано с принципами работы сплетений. Хотя результат вычислений может быть заранее определенным, у ведущего к нему процесса есть бесконечное множество возможных вариантов.
С точки зрения этих островитян, время – не линейная цепочка, соединяющая прошлое с будущим, но переплетающаяся паутина. История не записывается в неизменном виде, но интерактивно создается в уме узлодела по мере динамического чтения сплетения. Если смысл целого письменного текста может измениться из-за кляксы на одном-единственном слове, а одна-единственная оговорка может таким же образом изменить устное предание, то информация [о прошлом и будущем], зашифрованная в сплетении, может измениться только при завязывании или развязывании какого-либо узла…