Foto: kentoh / Dollar Photo Club

Magnetické skyrmiony a umělé neurony

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.

Kvantové počítače z Majoranových fermionů

Majoranovy fermiony vznikly ve 30. letech jako teoretický koncept. Popularitu jim možná zajistil osud autora …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close