Discovery придаёт магнетический импульс нейроморфным вычислениям

Jul 22, 2023

28 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Рэндалл Браун, Университет Теннесси в Ноксвилле

Слово «фракталы» могло бы вдохновить на создание изображений психоделических цветов, уходящих в бесконечность, в компьютерной анимации. Невидимая, но мощная и полезная версия этого явления существует в сфере динамических магнитных фрактальных сетей.

Дастин Гилберт, доцент кафедры материаловедения и инженерии, и его коллеги опубликовали новые данные о поведении этих сетей — наблюдения, которые могут расширить возможности нейроморфных вычислений.

Их исследование подробно описано в статье «Спин-волновые фрактальные сети, возбуждаемые Скирмионом», на обложке журнала Advanced Materials от 17 августа 2023 года.

«Большинство магнитных материалов — например, магниты на холодильнике — состоят из доменов, в которых все магнитные спины ориентированы параллельно», — сказал Гилберт. «Почти 15 лет назад немецкая исследовательская группа обнаружила эти особые магниты, в которых спины образуют петли — как наноразмерное магнитное лассо. Они называются скирмионами».

Названный в честь легендарного физика элементарных частиц Тони Скирма, магнитный вихрь скирмиона придает ему нетривиальную топологию. В результате такой топологии скирмионы обладают свойствами частиц — их трудно создать или уничтожить, они могут двигаться и даже отскакивать друг от друга. У скирмиона также есть динамические режимы: он может покачиваться, трястись, растягиваться, кружиться и дышать.

Когда скирмионы «прыгают и прыгают», они создают магнитные спиновые волны с очень узкой длиной волны. Взаимодействие этих волн образует неожиданную фрактальную структуру.

«Точно так же, как человек танцует в луже воды, они генерируют волны, которые расходятся наружу», — сказал Гилберт. «Многие танцующие люди создают множество волн, которые обычно кажутся бурным, хаотичным морем. Мы измерили эти волны и показали, что они имеют четко определенную структуру и вместе образуют фрактал, который меняется триллионы раз в секунду».

Фракталы важны и интересны, потому что они по своей сути связаны с «эффектом хаоса» — небольшие изменения в начальных условиях приводят к большим изменениям во фрактальной сети.

«Мы хотим сказать, что если у вас есть скирмионная решетка и вы освещаете ее спиновыми волнами, то, как волны проходят через эту генерирующую фракталы структуру, будет очень тесно зависеть от ее конструкции», — сказал Гилберт. . «Итак, если бы вы могли написать отдельные скирмионы, они могли бы эффективно обрабатывать входящие спиновые волны во что-то на обратной стороне — и это можно программировать. Это нейроморфная архитектура».

Иллюстрация на обложке Advanced Materials представляет собой визуальное представление этого процесса: скирмионы, плавающие на вершине бурного синего моря, иллюстрируют хаотическую структуру, создаваемую фракталом спиновых волн.

«Эти волны мешают друг другу, как если бы вы бросили в пруд пригоршню камешков», — сказал Гилберт. «Вы получаете нестабильный, турбулентный беспорядок. Но это не просто беспорядок, это на самом деле фрактал. Сейчас у нас есть эксперимент, показывающий, что спиновые волны, генерируемые скирмионами, - это не просто беспорядок волн, им присуща внутренняя структура их По сути, контролируя те камни, которые мы «кидаем», вы получаете совершенно разные узоры, и это то, к чему мы движемся».

Открытие было сделано частично в результате экспериментов по рассеянию нейтронов в изотопном реакторе с высоким потоком Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) и в Центре нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий (NIST). Нейтроны обладают магнитными свойствами и легко проходят сквозь материалы, что делает их идеальными зондами для изучения материалов со сложным магнитным поведением, таких как скирмионы и другие квантовые явления.