Et nyt databehandlingsparadigme kaldet neuromorphic computing imiterer neuronernes væsentlige synaptiske funktioner for at simulere hjerneadfærd. Neuronal plasticitet, forbundet med indlæring og hukommelse, er en af disse funktioner. Denne plasticitet gør det muligt for neuroner at lagre information eller glemme den afhængigt af længden og frekvensen af elektriske impulser, der aktiverer dem.
Memresistive materialer, ferroelektrik, faseændringshukommelsesmaterialer, topologiske isolatorer og for nylig magneto-ioniske materialer skiller sig ud blandt de materialer, der ligner neuron synapser. I sidstnævnte forårsager anvendelse af et elektrisk felt, at ionerne forskydes inden i materialet, hvilket ændrer stoffets magnetiske egenskaber.
Selvom moduleringen af magnetisme i disse materialer, når et elektrisk felt påføres, er velforstået, er det udfordrende at kontrollere udviklingen af magnetiske egenskaber, når spændingen ophører (dvs. udviklingen efter stimulus). Dette gør det vanskeligt at replikere nogle hjerne-inspirerede processer, såsom at holde læringen effektivt, selv mens hjernen er i en dyb søvntilstand (dvs. uden ekstern stimulation).
I en ny undersøgelse har forskere fra UAB Institut for Fysik Jordi Sort og Enric Menéndez foreslog i samarbejde med ALBA Synchrotron, Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) og ICMAB en ny måde at kontrollere udviklingen af magnetisering både i det stimulerede og i post- stimulustilstande.
De har udviklet et magnetisk materiale, der er i stand til at efterligne den måde, hjernen lagrer information på. Takket være dette materiale er det muligt at efterligne neuronernes synapser og efterligne, for første gang, læring, der opstår under dyb søvn.
Forskere udviklede materialet baseret på et tyndt lag koboltmononitrid (CoN), hvor man ved at påføre et elektrisk felt kan kontrollere ophobningen af N-ioner i grænsefladen mellem laget og en flydende elektrolyt, som laget er placeret i.
ICREA forskningsprofessor Jordi Sort og Serra Húnter Tenure-track professor Enric Menéndez sagde: "Det nye materiale arbejder med bevægelser af ioner styret af elektrisk spænding, på en måde, der svarer til vores hjernen, og med hastigheder svarende til dem, der produceres i neuroner, i størrelsesordenen millisekunder. Vi har udviklet en kunstig synapse, der i fremtiden kan være grundlaget for et nyt computerparadigme, alternativ til det, der bruges af nuværende computere."
Ved at påføre spændingsimpulser har det været muligt at efterligne på en kontrolleret måde processer som hukommelse, informationsbehandling, informationssøgning og for første gang kontrolleret opdatering af information uden påført spænding.
Cobalt mononitrid lagtykkelsen, som styrer hvor hurtigt ionerne bevæger sig, og pulsfrekvensen blev ændret for at opnå denne kontrol.
Arrangementet af materialet gør det muligt at kontrollere de magnetoioniske egenskaber, ikke kun når spændingen påføres, men også for første gang når spændingen fjernes. Når den eksterne spændingsstimulus forsvinder, kan magnetiseringen af systemet reduceres eller øges, afhængigt af tykkelsen af materialet og protokollen for, hvordan spændingen tidligere er blevet påført.
En bred vifte af nye neuromorfe computerfunktioner er nu mulige på grund af dette nye resultat. Det giver en ny logisk funktion, der for eksempel gør det muligt at simulere neuronal læring efter hjernestimulering, mens vi sover dybt. Andre former for neuromorfe materialer, der i øjeblikket er på markedet, kan ikke kopiere disse egenskaber.
Jordi Sort og Enric Menendez sagde, "Når tykkelsen af koboltmononitridlaget er under 50 nanometer, og med en spænding påført med en frekvens på over 100 cyklusser i sekundet, har vi formået at efterligne en yderligere logisk funktion: når spændingen er påført, kan enheden programmeres at lære eller at glemme, uden behov for yderligere input af energi, at efterligne de synaptiske funktioner, der finder sted i hjernen under dyb søvn, når informationsbehandlingen kan fortsætte uden at påføre noget eksternt signal."
Journal Reference:
- Zhengwei Tan, Julius de Rojas, Sofia Martins, Aitor Lopeandia, Alberto Quintana, Matteo Cialone, Javier Herrero-Martín, Johan Meersschaut, André Vantomme, José L. Costa-Krämer, Jordi Sort, Enric Menéndez. Frekvensafhængig stimuleret og post-stimuleret spændingskontrol af magnetisme i overgangsmetalnitrider: mod hjerne-inspireret magneto-ionik. Materialer Horisonter, 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
