La scoperta dà una svolta magnetica al calcolo neuromorfico

Jul 22, 2023

28 agosto 2023

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di Randall Brown, Università del Tennessee a Knoxville

La parola "frattali" potrebbe ispirare immagini di colori psichedelici che si estendono a spirale verso l'infinito in un'animazione al computer. Una versione invisibile, ma potente e utile, di questo fenomeno esiste nel regno delle reti frattali magnetiche dinamiche.

Dustin Gilbert, assistente professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e colleghi hanno pubblicato nuove scoperte sul comportamento di queste reti, osservazioni che potrebbero far avanzare le capacità di calcolo neuromorfico.

La loro ricerca è dettagliata nel loro articolo "Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks", articolo di copertina del numero del 17 agosto 2023 di Advanced Materials.

"La maggior parte dei materiali magnetici, come i magneti da frigorifero, sono costituiti semplicemente da domini in cui gli spin magnetici sono tutti orientati parallelamente", ha affermato Gilbert. "Quasi 15 anni fa, un gruppo di ricerca tedesco ha scoperto questi magneti speciali i cui giri formano anelli, come un lazo magnetico su scala nanometrica. Questi sono chiamati skyrmion."

Prende il nome dal leggendario fisico delle particelle Tony Skyrme, il vortice magnetico di uno skyrmion gli conferisce una topologia non banale. Come risultato di questa topologia, lo skyrmion ha proprietà simili a particelle: sono difficili da creare o distruggere, possono muoversi e persino rimbalzare l'uno sull'altro. Lo skyrmion ha anche modalità dinamiche: può dimenarsi, scuotersi, allungarsi, girare e respirare.

Mentre gli skyrmion "saltano e si muovono", creano onde di rotazione magnetica con una lunghezza d'onda molto stretta. Le interazioni di queste onde formano una struttura frattale inaspettata.

"Proprio come una persona che balla in una pozza d'acqua, generano onde che si increspano verso l'esterno", ha detto Gilbert. "Molte persone che ballano creano molte onde, che normalmente sembrerebbero un mare turbolento e caotico. Abbiamo misurato queste onde e abbiamo dimostrato che hanno una struttura ben definita e formano collettivamente un frattale che cambia trilioni di volte al secondo."

I frattali sono importanti e interessanti perché sono intrinsecamente legati a un "effetto caos": piccoli cambiamenti nelle condizioni iniziali portano a grandi cambiamenti nella rete frattale.

"Il punto in cui vogliamo arrivare è che se si dispone di un reticolo skyrmion e lo si illumina con onde di rotazione, il modo in cui le onde si fanno strada attraverso questa struttura generatrice di frattali dipenderà molto intimamente dalla sua costruzione", ha affermato Gilbert. . "Quindi, se potessimo scrivere i singoli skyrmion, potrebbero effettivamente elaborare le onde di spin in arrivo in qualcosa sul retro, ed è programmabile. È un'architettura neuromorfica."

L'illustrazione di copertina di Advanced Materials mostra una rappresentazione visiva di questo processo, con gli skyrmion che galleggiano su un mare blu turbolento che illustra la struttura caotica generata dal frattale dell'onda di rotazione.

"Quelle onde interferiscono proprio come se si lanciasse una manciata di ciottoli in uno stagno", ha detto Gilbert. "Si ottiene un pasticcio instabile e turbolento. Ma non è un semplice pasticcio, in realtà è un frattale. Ora abbiamo un esperimento che mostra che le onde di rotazione generate dagli skyrmion non sono solo un pasticcio di onde, hanno una struttura intrinseca della loro struttura." molto personale. Essenzialmente, controllando quelle pietre che "gettiamo dentro", si ottengono modelli molto diversi, ed è quello verso cui stiamo andando."

La scoperta è stata fatta in parte da esperimenti di diffusione dei neutroni presso il reattore ad alto flusso isotopico dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e presso il Centro per la ricerca sui neutroni del National Institute of Standards and Technology (NIST). I neutroni sono magnetici e passano facilmente attraverso i materiali, il che li rende sonde ideali per studiare materiali con comportamenti magnetici complessi come gli skyrmion e altri fenomeni quantistici.