El descubrimiento da un giro magnético a la computación neuromórfica

Jul 22, 2023

28 de agosto de 2023

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por Randall Brown, Universidad de Tennessee en Knoxville

La palabra "fractales" podría inspirar imágenes de colores psicodélicos que giran en espiral hacia el infinito en una animación por computadora. Existe una versión invisible, pero poderosa y útil, de este fenómeno en el ámbito de las redes fractales magnéticas dinámicas.

Dustin Gilbert, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y sus colegas han publicado nuevos hallazgos sobre el comportamiento de estas redes, observaciones que podrían mejorar las capacidades de computación neuromórfica.

Su investigación se detalla en su artículo "Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks", artículo de portada de la edición del 17 de agosto de 2023 de Advanced Materials.

"La mayoría de los materiales magnéticos, como los imanes de refrigerador, se componen simplemente de dominios donde todos los espines magnéticos se orientan en paralelo", dijo Gilbert. "Hace casi 15 años, un grupo de investigación alemán descubrió estos imanes especiales cuyos espines forman bucles, como un lazo magnético a nanoescala. Se llaman skyrmions".

El remolino magnético de un skyrmion, que lleva el nombre del legendario físico de partículas Tony Skyrme, le confiere una topología no trivial. Como resultado de esta topología, el skyrmion tiene propiedades similares a las de las partículas: son difíciles de crear o destruir, pueden moverse e incluso rebotar entre sí. El skyrmion también tiene modos dinámicos: pueden moverse, sacudirse, estirarse, girar y respirar.

A medida que los skyrmions "saltan y se mueven", crean ondas de espín magnético con una longitud de onda muy estrecha. Las interacciones de estas ondas forman una estructura fractal inesperada.

"Al igual que una persona bailando en un charco de agua, generan ondas que se expanden hacia afuera", dijo Gilbert. "Muchas personas que bailan forman muchas olas, que normalmente parecerían un mar turbulento y caótico. Medimos estas olas y demostramos que tienen una estructura bien definida y en conjunto forman un fractal que cambia billones de veces por segundo".

Los fractales son importantes e interesantes porque están inherentemente ligados a un "efecto caos": pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a grandes cambios en la red fractal.

"Lo que queremos llegar con esto es que si tienes una red de skyrmion y la iluminas con ondas de espín, la forma en que las ondas se abren paso a través de esta estructura generadora de fractales dependerá muy íntimamente de su construcción", dijo Gilbert. . "Entonces, si se pudieran escribir skyrmions individuales, se podrían procesar efectivamente las ondas de espín entrantes en algo en la parte trasera, y es programable. Es una arquitectura neuromórfica".

La ilustración de portada de Advanced Materials muestra una representación visual de este proceso, con los skyrmions flotando sobre un turbulento mar azul que ilustra la estructura caótica generada por el fractal de onda de espín.

"Esas ondas interfieren como si arrojaras un puñado de piedras a un estanque", dijo Gilbert. "Se obtiene un desastre turbulento y entrecortado. Pero no es un simple desastre, en realidad es un fractal. Ahora tenemos un experimento que muestra que las ondas de giro generadas por skyrmions no son solo un desastre de ondas, sino que tienen una estructura inherente en sus muy propio. Básicamente, al controlar esas piedras que 'arrojamos', se obtienen patrones muy diferentes, y hacia eso nos dirigimos".

El descubrimiento se realizó en parte mediante experimentos de dispersión de neutrones en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) y en el Centro de Investigación de Neutrones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Los neutrones son magnéticos y atraviesan materiales fácilmente, lo que los convierte en sondas ideales para estudiar materiales con comportamiento magnético complejo, como skyrmions y otros fenómenos cuánticos.

Los coautores del nuevo artículo de Gilbert son Nan Tang, Namila Liyanage y Liz Quigley, estudiantes de su grupo de investigación; Alex Grutter y Julie Borchers del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Lisa DeBeer-Schmidt y Mike Fitzsimmons del Laboratorio Nacional Oak Ridge; y Eric Fullerton, Sheena Patel y Sergio Montoya de la Universidad de California en San Diego.

El siguiente paso del equipo es construir un modelo funcional utilizando el comportamiento de Skyrmion.

"Si podemos desarrollar ordenadores pensantes, eso, por supuesto, será extraordinariamente importante", afirmó Gilbert. "Por lo tanto, propondremos crear una arquitectura neuromórfica de ondas de espín miniaturizada". También espera que las repercusiones de este descubrimiento en UT Knoxville inspiren a los investigadores a explorar usos para una creciente gama de aplicaciones futuras.

Más información: Nan Tang et al, Redes fractales de ondas de giro excitadas por Skyrmion, materiales avanzados (2023). DOI: 10.1002/adma.202300416

Información de la revista:Materiales avanzados

Proporcionado por la Universidad de Tennessee en Knoxville