Reprodueixen artificialment les funcions d'aprenentatge i oblit del cervell amb sistemes magnètics

17/02/2022

Amb l’arribada del Big Data, les arquitectures computacionals actuals estan resultant ser insuficients. Les dificultats per disminuir la mida dels transistors, el gran consum d’energia i les limitades velocitats d’operació fan de la computació neuromòrfica una alternativa prometedora.

La computació neuromòrfica, un nou paradigma de computació inspirat en el cervell, reprodueix l’activitat de les sinapsis biològiques emprant xarxes neuronals artificials. Aquests dispositius funcionen com un sistema d’interruptors, de forma que la posició ON correspon a la retenció d’informació o “aprenentatge”, mentre que la posició OFF correspon a l’eliminació d’informació o “oblit”.

En una publicació recent, científics de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), el CNR-SPIN (Itàlia), l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), l’Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CNM-CSIC) i el Sincrotró ALBA han explorat l’emulació de la sinapsi artificial mitjançant nous dispositius de materials avançats. El projecte està liderat pel professor Serra Húnter Enric Menéndez i per l’investigador ICREA Jordi Sort, ambdós del Departament de Física de la UAB, i forma part de la tesi doctoral de Sofia Martins.

Un nou enfocament per imitar les funcions sinàptiques

Fins ara, la majoria de sistemes emprats per aquesta finalitat estaven controlats en última instància mitjançant corrents elèctriques, que implicava una important pèrdua d’energia per dissipació de calor. Aquí, la proposta dels investigadors va ser utilitzar la magneto-iònica, el control no volàtil de les propietats magnètiques dels materials mitjançant la migració d’ions impulsada pel voltatge, que disminueix dràsticament el consum d’energia i fa que l’emmagatzematge de dades sigui energèticament eficient.

Figura 1. Esquema de la formació de la doble capa electrolítica.

Encara que la dissipació de calor disminueix amb els efectes de la migració d’ions, el moviment magneto-iònic de l’oxigen a temperatura ambient sol ser lent per aplicacions industrials, ja que implica diversos segons o fins i tot minuts per canviar l’estat magnètic. Per resoldre aquest problema, l’equip va investigar l’ús de materials diana, l’estructura cristal·lina dels quals conté els ions a transportar. Aquestes dianes magneto-iòniques poden passar de forma totalment reversible d’un estat no ferromagnètic (interruptor apagat) a un ferromagnètic (interruptor encès) i viceversa, simplement pel moviment de l’oxigen impulsat pel voltatge des del material diana fins un reservori (encès) i viceversa (apagat).

Donades les seves estructures cristal·lines, els òxids de cobalt van ser els materials escollits per a la fabricació de les capes, els gruixos de les quals oscil·laven entre els 5nm i els 230nm. Va investigar-se el paper del gruix de les capes en el comportament magnètic-iònic resultant, la qual cosa va revelar que com més fines són les capes, més ràpidament s’assoleix la generació de magnetització.

A la línia de llum BOREAS del Sincrotró ALBA van realitzar-se els espectres d’absorció de raigs X (XAS) de les mostres. La tècnica XAS va emprar-se per caracteritzar, a temperatura ambient, la composició elemental i l’estat d’oxidació de les capes d’òxid de cobalt, que van resultar ser diferents per les capes més fines i les més gruixudes. Aquesta troballa van ser crucial per entendre les diferències en el moviment magneto-iònic de l’oxigen entre les capes.

Figura 2. (a) XAS dels pics d’absorció L_2,3 del cobalt de les capes d’òxid de cobalt de 5, 15, 36 y 230nm de gruix. (b) Evolució temporal de la magnetització de saturació (M_S) en funció del temps t pels diferents gruixos de les capes d’òxid de cobalt. (c) M_S vs. t durant l’actuació estàtica (ΔVDC=−50 V) i dinàmica (polsos) de voltatge (aplicant -50V/ 0V a freqüències d’1Hz, 10Hz i 100Hz). (d) Cicles magneto-iònics de la capa d’òxid de cobalt de 5nm de gruix sota polsos de voltatge de -50V/+50V de 15s de duració cadascun.

Com que les velocitats d’operació assolides en aquest treball eren similars a les utilitzades per a la computació neuromòrfica, van seguir-se investigant les capes d’òxid de cobalt de menor gruix. En particular, van induir-se efectes relacionats amb les capacitats neuromòrfiques d’aprenentatge i els resultats van aportar proves que els sistemes magneto-iònics poden emular les funcionalitats “d’aprenentatge” i “d’oblit”.

A més de la computació neuromòrfica, altres aplicacions pràctiques com les memòries magnètiques i l’espintrònica es beneficiaran dels resultats d’aquest estudi. La combinació de les memòries magnètiques amb la magneto-iònica energèticament eficient podria ser una possible via per reduir les energies operacionals per a la pròxima generació de medis d’emmagatzematge. Així mateix, els mecanismes magneto-iònics per controlar les capes antiferromagnètiques són actualment uns candidats molt prometedors pel desenvolupament de dispositius espintrònics.

Referència:

Sofia Martins, Julius de Rojas, Zhengwei Tan, Matteo Cialone, Aitor Lopeandía, Javier Herrero-Martín, José L. Costa-Krämer, Enric Menéndez and Jordi Sort. Dynamic electric-field-induced magnetic effects in cobalt oxide thin films: towards magneto-ionic synapses. Nanoscale (2021).  DOI: https://doi.org/10.1039/D1NR06210G

Amb la col·laboració de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia. El Sincrotró ALBA forma part de la xarxa d'Unitats de Cultura Científica i de la Innovació (UCC+i) de la Fundació Espanyola per a la Ciència i la Tecnologia (FECYT) i ha rebut suport a través del projecte FCT-20-15798.