Desenvolupen un material que imita com el cervell guarda la informació

08/11/2022

La computació neuromòrfica és un nou paradigma de computació on s’emula el comportament del cervell amb la imitació de les principals funcions sinàptiques de les neurones. Entre aquestes funcions hi ha la plasticitat neuronal: la capacitat d’emmagatzemar informació o d’oblidar-la en funció de la durada i repetició dels impulsos elèctrics que les estimulen, una plasticitat que estaria vinculada a l’aprenentatge i la memòria.

Entre els materials que imiten les sinapsis de les neurones destaquen els materials memresistius, els ferroelèctrics, els materials amb memòria per canvi de fase, els aïllants topològics i, més recentment, els magnetoiònics. En aquests darrers s’indueixen canvis en les propietats magnètiques a causa del desplaçament dels ions dins del material provocats per l’aplicació d’un camp elèctric. En aquests materials es coneix molt bé com es modula el magnetisme quan s’aplica el camp elèctric, però l’evolució en deixar d’aplicar-lo (és a dir, l’evolució després de l’estímul), és difícil de controlar. Això dificulta l’emulació d’algunes funcions inspirades en el cervell, com mantenir l’eficiència de l’aprenentatge que té lloc fins i tot mentre el cervell està en un estat de son profund (és a dir, sense estimulació externa).

Una recerca dirigida pels investigadors del Departament de Física de la UAB Jordi Sort i Enric Menéndez, en col·laboració amb el Sincrotró ALBA, l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) i l’ICMAB, proposa una nova manera de controlar l’evolució de la imantació tant en l’estat d’estimulació com en l’estat posterior a l’estímul.

Els investigadors han desenvolupat un material basat en una capa prima de mononitrur de cobalt (CoN) on, per mitjà de l’aplicació d’un camp elèctric, es pot controlar l’acumulació d’ions a la interfase entre la capa i un electròlit líquid en el qual s’ha immergit prèviament aquest material. «El nou material funciona amb moviment d'ions controlat amb voltatge elèctric, de manera anàloga al nostre cervell, i a velocitats similars a les que es produeixen a les neurones, de l’ordre dels milisegons», expliquen l’investigador ICREA Jordi Sort i el professor lector Serra Húnter Enric Menéndez. «Hem desenvolupat una sinapsi artificial que en el futur pot ser la base d'un nou paradigma de computació alternatiu al que fan servir els ordinadors actuals», destaquen Sort i Menéndez.

Els investigadors han aconseguit un control sense precedents de l’evolució de la imantació en un material. En aplicar polsos de voltatge s’ha pogut emular, de manera controlada, processos com la memòria, el processat d’informació, la recuperació d’informació i, per primer cop, l’actualització controlada d’informació sense voltatge aplicat. Aquest control s’ha aconseguit modificant el gruix de les capes de mononitrur de cobalt (que determina la velocitat dels ions) i la freqüència dels polsos. La disposició del material permet controlar les propietats magnetoiòniques no tan sols en aplicar el voltatge, sinó també, per primer cop, en deixar d’aplicar-lo. Un cop l’estímul extern de voltatge desapareix, la imantació del sistema pot reduir-se o bé incrementar-se en funció del gruix del material i del protocol de com s’ha aplicat prèviament el voltatge.

Aquest nou efecte, mai observat fins ara, obre tot un ventall d’oportunitats per a noves funcions de computació neuromòrfica. Ofereix una nova funció lògica que permet, per exemple, la possibilitat d’imitar l’aprenentatge neuronal que es produeix després de l’estimulació del cervell, quan dormim profundament. Aquesta funcionalitat no es pot emular mitjançant cap altre tipus de material neuromòrfic existent.  

«Quan el gruix de la capa de mononitrur de cobalt està per sota dels 50 nanòmetres i amb un voltatge aplicat a una freqüència superior als 100 cicles per segon hem aconseguit emular una funció lògica addicional: un cop s’ha aplicat el voltatge el dispositiu pot ser programat per aprendre o bé per oblidar, sense necessitat de cap aportació addicional d’energia, mimetitzant les funcions sinàptiques que tenen lloc al cervell durant el son profund, quan el processament de la informació pot continuar sense aplicar-hi cap senyal extern», destaquen Jordi Sort i Enric Menéndez.

La recerca, publicada a la revista Materials Horizons, ha estat dirigida pels investigadors del Departament de Física de la UAB Jordi Sort, també investigador de la Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA), i Enric Menéndez (professor lector Serra Húnter) i amb la participació de Zhengwei Tan, Julius de Rojas i Sofia Martins, investigadors del Departament de Física de la UAB; Aitor Lopeandia, del Departament de Física de la UAB i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2); Alberto Quintana, de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC); Javier Herrero-Martín, del Sincrotró ALBA; José L. Costa-Krämer, de l’Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM-CSIC), i d’investigadors del CNR-SPIN, a Itàlia, i de l’IMEC i el Quantum Solid State Physics (KU Leuven), a Bèlgica.

Article de recerca:

Zhengwei Tan, Julius de Rojas, Sofia Martins, Aitor Lopeandia, Alberto Quintana, Matteo Cialone, Javier Herrero-Martín, Johan Meersschaut, André Vantomme, José L. Costa-Krämer, Jordi Sort, Enric Menéndez. Frequency-dependent stimulated and post-stimulated voltage control of magnetism in transition metal nitrides: towards brain-inspired magneto-ionics. Materials Horizons, 2022. https://doi.org/10.1039/D2MH01087A