Klassiska datorer använder binära värden (0/1) för att prestera. Däremot våra hjärnceller kan använda fler värden för att fungera, vilket gör dem mer energieffektiva än datorer. Det är därför forskare är intresserade av neuromorfisk (hjärnliknande) datoranvändning. Fysiker från University of Groningen (Nederländerna) har använt en komplex oxid för att skapa element som är jämförbara med neuronerna och synapserna i hjärnan med hjälp av spins, en magnetisk egenskap hos elektroner. Deras resultat publicerades den 18 maj i tidskriften Gränser inom nanoteknik.

Även om datorer kan göra enkla beräkningar mycket snabbare än människor, våra hjärnor överträffar kiselmaskiner i uppgifter som objektigenkänning. Vidare, vår hjärna använder mindre energi än datorer. En del av detta kan förklaras av hur vår hjärna fungerar:medan en dator använder ett binärt system (med värdena 0 eller 1), hjärnceller kan ge fler analoga signaler med en rad värden.

Tunna filmer

Funktionen av våra hjärnor kan simuleras i datorer, men den grundläggande arkitekturen förlitar sig fortfarande på ett binärt system. Det är därför forskare letar efter sätt att utöka detta, skapa hårdvara som är mer hjärnliknande, men kommer också att samverka med vanliga datorer. "En idé är att skapa magnetiska bitar som kan ha mellanliggande tillstånd, " säger Tamalika Banerjee, Professor i Spintronics of Functional Materials vid Zernike Institute for Advanced Materials, Universitetet i Groningen. Hon jobbar med spintronics, som använder en magnetisk egenskap hos elektroner som kallas "spin" för att transportera, manipulera och lagra information.

I den här studien, hennes Ph.D. student Anouk Goossens, tidningens första författare, skapade tunna filmer av en ferromagnetisk metall (strontium-rutenatoxid, SRO) odlas på ett substrat av strontiumtitanatoxid. Den resulterande tunna filmen innehöll magnetiska domäner som var vinkelräta mot filmens plan. "Dessa kan växlas mer effektivt än magnetiska domäner i planet, " förklarar Goossens. Genom att anpassa tillväxtförhållandena, det är möjligt att styra kristallorienteringen i SRO. Tidigare, magnetiska domäner utanför planet har skapats med andra tekniker, men dessa kräver vanligtvis komplexa skiktstrukturer.

Magnetisk anisotropi

De magnetiska domänerna kan växlas med hjälp av en ström genom en platinaelektrod ovanpå SRO. Goossens:"När de magnetiska domänerna är orienterade perfekt vinkelrätt mot filmen, denna växling är deterministisk:hela domänen kommer att växla." när de magnetiska domänerna lutar något, svaret är probabilistiskt:inte alla domäner är lika, och mellanvärden uppstår när endast en del av kristallerna i domänen har växlat.

Genom att välja varianter av substratet som SRO odlas på, forskarna kan kontrollera dess magnetiska anisotropi. Detta gör att de kan producera två olika spintronic-enheter. "Denna magnetiska anisotropi är precis vad vi ville ha, " säger Goossens. "Probabilistisk omkoppling kan jämföras med hur nervceller fungerar, medan den deterministiska växlingen är mer som en synaps."

Forskarna förväntar sig att i framtiden, hjärnliknande datorhårdvara kan skapas genom att kombinera dessa olika domäner i en spintronisk enhet som kan kopplas till vanliga kiselbaserade kretsar. Vidare, probabilistisk växling skulle också möjliggöra stokastisk beräkning, en lovande teknologi som representerar kontinuerliga värden genom strömmar av slumpmässiga bitar. Banerjee:"Vi har hittat ett sätt att kontrollera mellanliggande tillstånd, inte bara för minne utan också för datorer."