Ένα νέο υπολογιστικό παράδειγμα που ονομάζεται νευρομορφικός υπολογισμός μιμείται τις βασικές συναπτικές λειτουργίες των νευρώνων για την προσομοίωση της εγκεφαλικής συμπεριφοράς. Νευρωνική πλαστικότητα, που συνδέεται με τη μάθηση και τη μνήμη, είναι μία από αυτές τις λειτουργίες. Αυτή η πλαστικότητα επιτρέπει στους νευρώνες να αποθηκεύουν πληροφορίες ή να τις ξεχνούν ανάλογα με το μήκος και τη συχνότητα των ηλεκτρικών παλμών που τους ενεργοποιούν.
Τα υλικά με αντίσταση, τα σιδηροηλεκτρικά, τα υλικά μνήμης αλλαγής φάσης, οι τοπολογικοί μονωτές και, πιο πρόσφατα, τα μαγνητο-ιονικά υλικά ξεχωρίζουν μεταξύ των υλικών που μοιάζουν συνάψεις νευρώνων. Στο τελευταίο, η εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου προκαλεί τη μετατόπιση των ιόντων εντός του υλικού, αλλάζοντας τα μαγνητικά χαρακτηριστικά της ουσίας.
Αν και η διαμόρφωση του μαγνητισμού σε αυτά τα υλικά όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι καλά κατανοητή, είναι δύσκολο να ελεγχθεί η εξέλιξη των μαγνητικών χαρακτηριστικών όταν σταματήσει η τάση (δηλαδή, η εξέλιξη που ακολουθεί το ερέθισμα). Αυτό καθιστά δύσκολη την αναπαραγωγή κάποιων διαδικασιών εμπνευσμένων από τον εγκέφαλο, όπως η αποτελεσματική διατήρηση της μάθησης ακόμη και όταν ο εγκέφαλος βρίσκεται σε κατάσταση βαθύ ύπνου (δηλαδή, χωρίς εξωτερική διέγερση).
Σε μια νέα μελέτη, επιστήμονες από το UAB Το Τμήμα Φυσικής Jordi Sort και Enric Menéndez, σε συνεργασία με το ALBA Synchrotron, το Καταλανικό Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ICN2) και το ICMAB, πρότειναν έναν νέο τρόπο ελέγχου της εξέλιξης της μαγνήτισης τόσο στον διεγερμένο όσο και στον μετα- ερεθιστικές καταστάσεις.
Έχουν αναπτύξει ένα μαγνητικό υλικό ικανό να μιμείται τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος αποθηκεύει πληροφορίες. Χάρη σε αυτό το υλικό, είναι δυνατή η μίμηση των συνάψεων νευρώνων και η μίμηση, για πρώτη φορά, μάθηση που συμβαίνει κατά τον βαθύ ύπνο.
Οι επιστήμονες ανέπτυξαν το υλικό με βάση ένα λεπτό στρώμα μονονιτριδίου κοβαλτίου (CoN) όπου, με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου, μπορεί να ελεγχθεί η συσσώρευση ιόντων Ν στη διεπαφή μεταξύ του στρώματος και ενός υγρού ηλεκτρολύτη στον οποίο έχει τοποθετηθεί το στρώμα.
Ο καθηγητής έρευνας ICREA Jordi Sort και ο Serra Húnter Tenure-track καθηγητής Enric Menéndez είπαν: «Το νέο υλικό λειτουργεί με την κίνηση των ιόντων που ελέγχονται από την ηλεκτρική τάση, με τρόπο ανάλογο με εγκέφαλοςκαι με ταχύτητες παρόμοιες με αυτές που παράγονται στους νευρώνες, της τάξης των χιλιοστών του δευτερολέπτου. Έχουμε αναπτύξει μια τεχνητή σύναψη που στο μέλλον μπορεί να αποτελέσει τη βάση ενός νέου υπολογιστικού παραδείγματος, εναλλακτικού αυτού που χρησιμοποιούν οι σημερινοί υπολογιστές».
Με την εφαρμογή παλμών τάσης, κατέστη δυνατή η εξομοίωση, με ελεγχόμενο τρόπο, διεργασιών όπως η μνήμη, επεξεργασία πληροφορίας, ανάκτηση πληροφοριών και, για πρώτη φορά, ελεγχόμενη ενημέρωση πληροφοριών χωρίς εφαρμοζόμενη τάση.
Το πάχος του στρώματος μονονιτριδίου κοβαλτίου, το οποίο ελέγχει πόσο γρήγορα κινούνται τα ιόντα, και η συχνότητα παλμού άλλαξαν για να επιτευχθεί αυτός ο έλεγχος.
Η διάταξη του υλικού επιτρέπει τον έλεγχο των μαγνητοιονικών ιδιοτήτων όχι μόνο όταν εφαρμόζεται η τάση αλλά και, για πρώτη φορά, όταν αφαιρείται η τάση. Μόλις εξαφανιστεί το εξωτερικό ερέθισμα τάσης, η μαγνήτιση του συστήματος μπορεί να μειωθεί ή να αυξηθεί, ανάλογα με το πάχος του υλικού και το πρωτόκολλο του τρόπου με τον οποίο είχε εφαρμοστεί προηγουμένως η τάση.
Ένα ευρύ φάσμα νέων νευρομορφικών υπολογιστικών συναρτήσεων είναι πλέον δυνατό λόγω αυτού του νέου αποτελέσματος. Παρέχει μια νέα λογική λειτουργία που, για παράδειγμα, καθιστά δυνατή την προσομοίωση της νευρωνικής μάθησης μετά από διέγερση του εγκεφάλου ενώ κοιμόμαστε βαθιά. Άλλα είδη νευρομορφικών υλικών που κυκλοφορούν αυτή τη στιγμή στην αγορά δεν μπορούν να αναπαράγουν αυτές τις δυνατότητες.
Jordi Sort και Enric Menendez είπε, «Όταν το πάχος του στρώματος μονονιτριδίου κοβαλτίου είναι κάτω από 50 νανόμετρα και με τάση που εφαρμόζεται σε συχνότητα μεγαλύτερη από 100 κύκλους ανά δευτερόλεπτο, καταφέραμε να προσομοιώσουμε μια επιπλέον λογική συνάρτηση: μόλις εφαρμοστεί η τάση, η συσκευή μπορεί να προγραμματιστεί να μάθουν ή να ξεχάσουν, χωρίς την ανάγκη πρόσθετης εισροής ενέργειας, μιμούμενοι τις συναπτικές λειτουργίες που λαμβάνουν χώρα στον εγκέφαλο κατά τον βαθύ ύπνο, όταν η επεξεργασία πληροφοριών μπορεί να συνεχιστεί χωρίς την εφαρμογή εξωτερικού σήματος».
Αναφορά στο περιοδικό:
- 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. Εξαρτώμενος από τη συχνότητα διεγερμένος και μεταδιεγερμένος έλεγχος τάσης του μαγνητισμού σε νιτρίδια μετάλλων μετάπτωσης: προς μαγνητοϊονικά εμπνευσμένα από τον εγκέφαλο. Υλικά Ορίζοντες, 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
