Un nuovo paradigma informatico chiamato calcolo neuromorfico imita le funzioni sinaptiche essenziali dei neuroni per simulare il comportamento cerebrale. Plasticità neuronale, connessa all'apprendimento e alla memoria, è una di queste funzioni. Questa plasticità consente ai neuroni di immagazzinare informazioni o di dimenticarle a seconda della durata e della frequenza degli impulsi elettrici che li attivano.
Tra i materiali che assomigliano a sinapsi neuronali. In quest’ultimo caso, l’applicazione di un campo elettrico provoca lo spostamento degli ioni all’interno del materiale, modificando le caratteristiche magnetiche della sostanza.
Sebbene la modulazione del magnetismo in questi materiali quando viene applicato un campo elettrico sia ben compresa, è difficile controllare l’evoluzione delle caratteristiche magnetiche al cessare della tensione (cioè l’evoluzione che segue lo stimolo). Ciò rende difficile replicare alcuni processi ispirati dal cervello, come mantenere l’apprendimento in modo efficace anche mentre il cervello è in uno stato di sonno profondo (cioè senza stimolazione esterna).
In un nuovo studio, gli scienziati del Ltd. Dipartimento di Fisica Jordi Sort ed Enric Menéndez, in collaborazione con il Sincrotrone ALBA, l'Istituto Catalano di Nanoscienza e Nanotecnologia (ICN2) e l'ICMAB, hanno proposto un nuovo modo per controllare l'evoluzione della magnetizzazione sia nello stato stimolato che in quello post- stati di stimolo.
Hanno sviluppato un materiale magnetico in grado di imitare il modo in cui il cervello immagazzina le informazioni. Grazie a questo materiale è possibile imitare le sinapsi dei neuroni e imitare, per la prima volta, il apprendimento che avviene durante il sonno profondo.
Gli scienziati hanno sviluppato il materiale basato su un sottile strato di mononitruro di cobalto (CoN) dove, applicando un campo elettrico, è possibile controllare l'accumulo di ioni N all'interfaccia tra lo strato e un elettrolita liquido in cui è stato collocato lo strato.
Il professore di ricerca dell'ICREA Jordi Sort e il professore di ruolo di Serra Húnter Enric Menéndez hanno detto: “Il nuovo materiale funziona con il movimento di ioni controllato dalla tensione elettrica, in maniera analoga alla nostra cervello, e a velocità simili a quelle prodotte nei neuroni, dell'ordine dei millisecondi. Abbiamo sviluppato una sinapsi artificiale che in futuro potrebbe essere la base di un nuovo paradigma informatico, alternativo a quello utilizzato dai computer attuali”.
Applicando impulsi di tensione è stato possibile emulare, in modo controllato, processi come la memoria, elaborazione delle informazioni, recupero delle informazioni e, per la prima volta, aggiornamento controllato delle informazioni senza tensione applicata.
Lo spessore dello strato di mononitruro di cobalto, che controlla la velocità con cui gli ioni si muovono, e la frequenza degli impulsi sono stati modificati per ottenere questo controllo.
La disposizione del materiale consente di controllare le proprietà magnetoioniche non solo quando viene applicata la tensione ma, per la prima volta, anche quando la tensione viene rimossa. Una volta scomparso lo stimolo della tensione esterna, la magnetizzazione del sistema può essere ridotta o aumentata, a seconda dello spessore del materiale e del protocollo di come la tensione è stata precedentemente applicata.
Grazie a questo nuovo risultato è ora possibile realizzare un’ampia gamma di nuove funzioni di calcolo neuromorfico. Fornisce una nuova funzione logica che, ad esempio, rende possibile simulare l’apprendimento neuronale in seguito alla stimolazione cerebrale mentre dormiamo profondamente. Altri tipi di materiali neuromorfici attualmente sul mercato non possono replicare queste capacità.
Jordi Sort e Enric Menendez disse, “Quando lo spessore dello strato di mononitruro di cobalto è inferiore a 50 nanometri, e con una tensione applicata a una frequenza superiore a 100 cicli al secondo, siamo riusciti a emulare una funzione logica aggiuntiva: una volta applicata la tensione, il dispositivo può essere programmato imparare o dimenticare, senza bisogno di alcun apporto aggiuntivo di energia, imitando le funzioni sinaptiche che avvengono nel cervello durante il sonno profondo, quando l’elaborazione delle informazioni può continuare senza applicare alcun segnale esterno”.
Riferimento della Gazzetta:
- 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. Controllo della tensione stimolata e post-stimolata dipendente dalla frequenza del magnetismo nei nitruri di metalli di transizione: verso la magneto-ionica ispirata al cervello. Orizzonti dei materiali, 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
