Новая вычислительная парадигма, называемая нейроморфными вычислениями, имитирует основные синаптические функции нейронов для имитации поведения мозга. Нейрональная пластичность, связанный с обучением и памятью, является одной из этих функций. Эта пластичность позволяет нейронам сохранять информацию или забывать ее в зависимости от длины и частоты электрических импульсов, которые их активируют.
Среди материалов, напоминающих нейронные синапсы. В последнем случае приложение электрического поля вызывает перемещение ионов внутри материала, что приводит к изменению магнитных характеристик вещества.
Хотя модуляция магнетизма в этих материалах при приложении электрического поля хорошо изучена, сложно контролировать эволюцию магнитных характеристик при прекращении подачи напряжения (т. е. эволюцию, следующую за стимулом). Это затрудняет воспроизведение некоторых процессов, происходящих в мозгу, таких как сохранение эффективности обучения, даже когда мозг находится в состоянии глубокого сна (т. е. без внешней стимуляции).
В новом исследовании ученые из UAB Кафедра физики Хорди Сорт и Энрик Менендес в сотрудничестве с синхротроном ALBA, Каталонским институтом нанонауки и нанотехнологий (ICN2) и ICMAB предложили новый способ управления эволюцией намагниченности как в стимулированном, так и в постинструментальном режиме. состояния стимула.
Они разработали магнитный материал, способный имитировать то, как мозг хранит информацию. Благодаря этому материалу можно имитировать синапсы нейронов и впервые имитировать обучение, происходящее во время глубокого сна.
Ученые разработали материал на основе тонкого слоя мононитрида кобальта (CoN), в котором с помощью электрического поля можно контролировать накопление ионов азота на границе между слоем и жидким электролитом, в который он был помещен.
Профессор ICREA Хорди Сорт и профессор Серра Хантер Энрик Менендес сказали: «Новый материал работает с движением ионов, контролируемым электрическим напряжением, аналогично нашему мозг, и со скоростями, подобными тем, которые производятся в нейронах, порядка миллисекунд. Мы разработали искусственный синапс, который в будущем может стать основой новой вычислительной парадигмы, альтернативной той, что используется нынешними компьютерами».
Подавая импульсы напряжения, стало возможным контролируемым образом эмулировать такие процессы, как память, обработка информации, поиск информации и, впервые, контролируемое обновление информации без приложенного напряжения.
Толщина слоя мононитрида кобальта, который контролирует скорость движения ионов, и частота импульсов были изменены для осуществления этого контроля.
Расположение материала позволяет управлять магнитоионными свойствами не только при приложении напряжения, но и впервые при снятии напряжения. Как только внешний стимул напряжения исчезает, намагниченность системы может быть уменьшена или увеличена, в зависимости от толщины материала и протокола того, как ранее применялось напряжение.
Благодаря этому новому результату теперь возможен широкий спектр новых нейроморфных вычислительных функций. Он обеспечивает новую логическую функцию, которая, например, позволяет имитировать обучение нейронов после стимуляции мозга, когда мы глубоко спим. Другие виды нейроморфных материалов, представленные в настоящее время на рынке, не могут воспроизвести эти возможности.
Хорди Сорт и Энрик Менендес — сказал, «При толщине слоя мононитрида кобальта менее 50 нанометров и при подаче напряжения с частотой более 100 циклов в секунду нам удалось эмулировать дополнительную логическую функцию: после подачи напряжения устройство можно запрограммировать. научиться или забыть без необходимости какого-либо дополнительного ввода энергии, имитируя синаптические функции, которые происходят в мозге во время глубокого сна, когда обработка информации может продолжаться без подачи какого-либо внешнего сигнала».
Справочник журнала:
- Чжэнвэй Тан, Юлиус де Рохас, София Мартинс, Айтор Лопеандия, Альберто Кинтана, Маттео Чалоне, Хавьер Эрреро-Мартин, Йохан Мершаут, Андре Вантомме, Хосе Л. Коста-Кремер, Хорди Сорт, Энрик Менендес. Зависимое от частоты стимулированное и постстимулированное управление напряжением магнетизма в нитридах переходных металлов: к магнитоионике, вдохновленной мозгом. Материалы Горизонты2022. DOI: 10.1039/D2MH01087A
