Een nieuw computerparadigma genaamd neuromorphic computing imiteert de essentiële synaptische functies van neuronen om hersengedrag te simuleren. Neuronale plasticiteit, verbonden met leren en geheugen, is een van deze functies. Door deze plasticiteit kunnen neuronen informatie opslaan of vergeten, afhankelijk van de lengte en frequentie van de elektrische impulsen die ze activeren.
Memresistieve materialen, ferro-elektrische materialen, faseveranderingsgeheugenmaterialen, topologische isolatoren en, meer recentelijk, magneto-ionische materialen vallen op onder de materialen die lijken op neuron synapsen. In het laatste geval zorgt het aanleggen van een elektrisch veld ervoor dat de ionen in het materiaal worden verplaatst, waardoor de magnetische eigenschappen van de stof veranderen.
Hoewel de modulatie van het magnetisme in deze materialen wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd goed wordt begrepen, is het een uitdaging om de evolutie van de magnetische eigenschappen te beheersen wanneer de spanning wordt stopgezet (dat wil zeggen de evolutie na de stimulus). Dit maakt het moeilijk om bepaalde door de hersenen geïnspireerde processen te repliceren, zoals het effectief blijven leren, zelfs terwijl de hersenen zich in een diepe slaaptoestand bevinden (dat wil zeggen zonder externe stimulatie).
In een nieuwe studie hebben wetenschappers van de Ltd Departement Natuurkunde Jordi Sort en Enric Menéndez hebben, in samenwerking met de ALBA Synchrotron, het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) en de ICMAB, een nieuwe manier voorgesteld om de evolutie van magnetisatie te controleren, zowel in de gestimuleerde als in de post- stimulustoestanden.
Ze hebben een magnetisch materiaal ontwikkeld dat de manier kan imiteren waarop de hersenen informatie opslaan. Dankzij dit materiaal is het mogelijk om de synapsen van neuronen te imiteren en voor het eerst de leren dat plaatsvindt tijdens de diepe slaap.
Wetenschappers ontwikkelden het materiaal op basis van een dunne laag kobaltmononitride (CoN) waarbij, door het aanleggen van een elektrisch veld, de ophoping van N-ionen op het grensvlak tussen de laag en een vloeibare elektrolyt waarin de laag is geplaatst, kan worden gecontroleerd.
ICREA-onderzoeksprofessor Jordi Sort en Serra Húnter Tenure-track professor Enric Menéndez zeiden: “Het nieuwe materiaal werkt met de beweging van ionen die worden gecontroleerd door elektrische spanning, op een manier die analoog is aan de onze hersenen, en met snelheden vergelijkbaar met die geproduceerd in neuronen, in de orde van milliseconden. We hebben een kunstmatige synaps ontwikkeld die in de toekomst de basis kan vormen voor een nieuw computerparadigma, een alternatief voor het paradigma dat door de huidige computers wordt gebruikt.”
Door het toepassen van spanningspulsen is het mogelijk geworden om op een gecontroleerde manier processen zoals geheugen, informatieverwerking, het ophalen van informatie en, voor het eerst, het gecontroleerd bijwerken van informatie zonder aangelegde spanning.
De dikte van de kobaltmononitridelaag, die bepaalt hoe snel de ionen bewegen, en de pulsfrequentie werden gewijzigd om deze controle te bereiken.
Door de opstelling van het materiaal kunnen de magneto-ionische eigenschappen niet alleen worden gecontroleerd wanneer de spanning wordt aangelegd, maar ook, voor het eerst, wanneer de spanning wordt verwijderd. Zodra de externe spanningsstimulus verdwijnt, kan de magnetisatie van het systeem worden verminderd of vergroot, afhankelijk van de dikte van het materiaal en het protocol van hoe de spanning eerder is aangelegd.
Dankzij dit nieuwe resultaat is nu een breed scala aan nieuwe neuromorfe computerfuncties mogelijk. Het biedt een nieuwe logische functie die het bijvoorbeeld mogelijk maakt om neuronaal leren te simuleren na hersenstimulatie terwijl we diep slapen. Andere soorten neuromorfe materialen die momenteel op de markt zijn, kunnen deze mogelijkheden niet repliceren.
Jordi Sort en Enric Menendez zei, “Wanneer de dikte van de kobaltmononitridelaag minder dan 50 nanometer bedraagt, en met een spanning die wordt aangelegd met een frequentie van meer dan 100 cycli per seconde, zijn we erin geslaagd een extra logische functie te emuleren: zodra de spanning is aangelegd, kan het apparaat worden geprogrammeerd om te leren of te vergeten, zonder de noodzaak van enige extra input van energie, waarbij de synaptische functies worden nagebootst die plaatsvinden in de hersenen tijdens de diepe slaap, wanneer de informatieverwerking kan doorgaan zonder een extern signaal toe te passen.”
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. Frequentieafhankelijke gestimuleerde en post-gestimuleerde spanningscontrole van magnetisme in overgangsmetaalnitriden: naar door de hersenen geïnspireerde magneto-ionen. Materialen Horizons, 2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
