Sciencemag.cz
Doporučujeme
Magnetické skyrmiony by mohly pomoci vytvořit nízkoenergetická zařízení, která by napodobovala paměť a poznávací funkce v neuronových synapsích mozku. Ukazují to simulace, které nedávno provedli čínští fyzici.
Výkon i možnosti počítačů se neustále zvyšují, pořád však existují úlohy, v jejichž řešení ani sebelepší stroj nepředčí biologický mozek. To by se mohlo změnit s vývojem tzv. neuromorfního počítače, který by měl funkci mozku napodobit.
Snaha napodobit způsob, jakým jsou v mozku propojeny neurony, vedla ke zkoumání umělých synapsí ve funkci propojení pro neuromorfní počítač. Čínští fyzici teď ukázali, že pro vytvoření umělých a energeticky nenáročných synapsí by mohly být použity magnetické skyrmiony, subatomární částice podobné baryonům.
Skyrmiony jsou oblasti v magnetickém poli, kde se tvoří miniaturní víry připomínající částice a ve kterých všechny vektory pole míří buď k jednomu bodu, nebo od něj. Skyrmiony je možné vytvářet a mazat, přičemž se mezi sebou neovlivňují jako magnetické bity u klasických pevných disků. V budoucnu by mohly nalézt uplatnění v elektronice či spintronice.
Existenci skyrmionů předpověděl v roce 1950 britský fyzik Tony Skyrme, který s jejich pomocí vyložil některé aspekty částicové fyziky. Poprvé však byly tyto částice skutečně pozorovány až v roce 2009.
Lidský mozek obsahuje obrovské množství synapsí. Ty přitom nemají za úkol jen pouhé propojování neuronů, ale rozhodují také o tom, jaké propojení je nejvýhodnější, a stojí za modulačními procesy, které jsou považovány za základ lidské schopnosti učení a poznávání. Přestože se vědci pokoušeli vyrobit umělé synapse z nejrůznějších materiálů, nejnovější studie ukázaly, že vhodnou alternativou by mohly být právě magnetické skyrmiony.
Fyzici z Hongkongu simulovali skyrmiony pomocí 2D kotoučů o průměru 50 – 60 nm. Obvodová hrana a střed kotouče představují opačné magnetické póly oddělené chirálními doménovými stěnami (chiralita označuje asymetrii prostorového rozložení objektu). Skyrmiony jsou začleněny do prvku obsahujícího jednak feromagnetickou vrstvu s kolmou magnetickou anizotropií, jejíž předlohou je kobalt, a jednak vrstvu z těžkého kovu vytvořenou podle platiny. Dohromady tvoří tyto dvě složky dráhu („racetrack“), po které se mohou skyrmiony pohybovat.
Skyrmionové dráhy byly studovány už dříve v souvislosti s možnými elektronickými paměťovými prvky. Teď však šlo o něco jiného. Přidáním energetické bariéry do středu dráhy fyzici simulovali presynaptické a postsynaptické oblasti, kde se neurony připojují k synapsi. Proud, který teče vrstvou těžkého kovu z jednoho konce prvku na druhý, vedl skyrmiony mezi pre- a postsynaptickými oblastmi.
V biologické synapsi způsobí nervová aktivita změnu v počtu receptorů neurotransmiterů, jež pak vede k zeslabení nebo zesílení synaptického spojení. V navrhovaném synaptickém prvku s použitím skyrmionů simuluje toto zesílení a zeslabení změna magnetorezistance způsobená tím, po které straně energetické bariéry se skyrmiony pohybují. Fyzici z Hongkongu ukázali, že je jejich systém schopen napodobit chování synapsí, které odpovídá krátkodobé i dlouhodobé paměti.
Simulace ukazují, že synaptické prvky se skyrmiony pracují s velmi nízkou spotřebou energie a velmi malou hustotou elektrického proudu. To bylo potvrzeno v řadě předešlých experimentálních i teoretických prací. Výsledkem výpočtů je spotřeba energie 1 pJ na jedno synaptické spojení, což dělá ze skyrmionů vážného kandidáta na použití v praxi. Zatím však jde jen o simulaci.
Většina synaptických systémů pracujících na jiných principech už byla, na rozdíl od skyrmionů, prakticky demonstrována. U skyrmionů je však problém s efektivním detekováním. Jiné skupiny používají k pozorování skyrmionů například optické jevy. V Hongkongu začali se skyrmiony experimentovat na germaniových vrstvách použitím transmisního elektronového mikroskopu. Tento způsob je však omezen jen na velmi tenké vrstvy.
Skyrmiony mají neobvyklé topologické vlastnosti a je pozoruhodné, že se teď začínají používat k napodobení synaptických procesů. Otevírají totiž zcela novou cestu k vytváření neuromorfních zařízení.
Původní materiály byly uveřejněny v nanotechweb.org, Science a Physics World.
Jana Štrajblová
Převzato z Matfyz.cz.
