vad gör eldflugor, Huygens väggklockor, och till och med hjärtat av körsångare, ha gemensamt? De kan alla synkronisera sina respektive individuella signaler till en enda unison ton eller rytm.

Nu har forskare vid Göteborgs universitet lärt ut två olika nya klasser av nanoskopiska mikrovågssignaloscillatorer, som kan användas som framtida spintroniska neuroner, att sjunga unisont med sina grannar.

Tidigare i år, de tillkännagav den första framgångsrika synkroniseringen av fem så kallade nano-contact spin vrid oscillatorer. I det systemet, en av nanokontakterna spelade rollen som dirigent, bestämma vilken ton du ska sjunga, och de andra nanokontakterna följde glatt efter hennes ledning. Detta synkroniserade tillstånd beskrevs bäst som driven och riktad, eftersom varje nanokontakt i kedjan bara lyssnade på sin uppströms granne, justerat sin egen frekvens i enlighet med, och tillämpade sedan denna frekvens på nästa granne nedströms. Interaktionsstyrkan är densamma mellan varje granne och kedjan kan därför göras mycket lång utan att någon oscillator sjunger ur stämma.

Den här gången har samma forskargrupp visat synkronisering av så många som nio nanokonstriktionsbaserade spin Hall nano-oscillatorer. I detta system, det finns ingen konduktör. Istället är organisationen helt platt och varje oscillator lyssnar nu på båda sina grannar. Som en konsekvens, sedeln avgörs på ett demokratiskt sätt, med det slutliga unisona tillståndet som en överenskommen kompromiss mellan alla ursprungliga individuella frekvenser. Det synkroniserade tillståndet beskrivs därför bäst som både ömsesidigt och dubbelriktat. Detta innebär att information nu kan färdas i båda riktningarna och en störning på valfri plats längs oscillatorkedjan kan leda till en justering av tonen i hela kören.

Genom att använda spin Hall-effekten, inte bara för att driva varje oscillator utan också för att förbättra kopplingen mellan nanokonstriktionerna, författarna kunde också synkronisera två oscillatorer åtskilda med upp till 4 mikrometer.

"Eftersom nanoförträngningarna bara är 100 nm stora, detta skulle motsvara en rad med nio sångare, varje sångare står cirka 80 meter från sin närmaste granne, och fortfarande håller alla sångare stilla, " säger Ahmad Awad, studiens första författare. "Synkroniseringen är därför mycket robust".

Forskarna föreställer sig att båda typerna av oscillatorer kan spela nyckelroller i framtida oscillerande nätverk för vågbaserad neuromorf beräkning. Till exempel, ingångar och utgångar från nätverket kräver riktningsstyrning för att säkerställa att informationen färdas i rätt riktning och att utgångarna inte störs av eventuella potentiella störningar eller andra falska signaler. Dock, inuti nätverket, man vill använda sig av parallelliteten och den kollektiva responsen från alla oscillatorer. Detta kräver därför dubbelriktad och ömsesidig synkronisering inom själva nätverket.

Säger prof. Johan Åkerman, huvudutredaren bakom resultaten:"Demonstrationen av nyckelbegreppen för både driven och ömsesidig synkronisering i nanoskopiska mikrovågsoscillatorer är egentligen bara det första steget. Robustheten i våra resultat ger oss nu designfrihet att utforska oscillatornätverk av alla storlek med ett brett utbud av olika layouter som bara begränsas av ens fantasi. Lägg till potentialen för neuromorfisk beräkning och du kan se varför vi är så exalterade!"