Нейроморфные вычисления - это новая вычислительная парадигма, в которой поведение мозга имитируется путем имитации основных синаптических функций нейронов. Среди этих функций - нейронная пластичность: способность сохранять информацию или забывать ее в зависимости от продолжительности и повторяемости электрических импульсов, которые стимулируют нейроны, пластичность, которая была бы связана с обучением и памятью.

Среди материалов, имитирующих синапсы нейронов, выделяются мемрезистивные материалы, сегнетоэлектрики, материалы с памятью фазовых переходов, топологические изоляторы и, совсем недавно, магнитоионные материалы. В последнем случае изменения магнитных свойств индуцируются перемещением ионов внутри материала, вызванным приложением электрического поля. В этих материалах хорошо известно, как модулируется магнетизм при приложении электрического поля, но эволюцию магнитных свойств при прекращении подачи напряжения (то есть эволюцию после стимула) трудно контролировать. Это затрудняет имитацию некоторых функций мозга, таких как поддержание эффективности обучения, которое происходит даже тогда, когда мозг находится в состоянии глубокого сна (т.е. без внешней стимуляции).

Это исследование, проведенное исследователями из физического факультета UAB Хорди Сортом и Энриком Менендесом в сотрудничестве с синхротроном ALBA, Каталонским институтом нанонауки и нанотехнологий (ICN2) и ICMAB, предлагает новый способ управления эволюцией намагниченности как в стимулированном, так и в постстимулированном состояниях..

Исследователи разработали материал на основе тонкого слоя мононитрида кобальта (CoN), в котором с помощью приложения электрического поля можно контролировать накопление ионов N на границе раздела между слоем и жидким электролитом, в который был помещен слой. "Новый материал работает с движением ионов, управляемым электрическим напряжением, способом, аналогичным нашему мозгу, и со скоростями, аналогичными тем, которые вырабатываются в нейронах, порядка миллисекунд", - объясняют профессор исследований ICREA Джорди Сорт и Сьерра-Хантер Профессор Энрик Менендес, работающий в течение срока пребывания в должности. "Мы разработали искусственный синапс, который в будущем может стать основой новой вычислительной парадигмы, альтернативной той, которая используется современными компьютерами", - отмечают Сорт и Менендес.

Применяя импульсы напряжения, стало возможным контролируемым образом эмулировать такие процессы, как запоминание, обработка информации, поиск информации и, впервые, контролируемое обновление информации без приложения напряжения. Этот контроль был достигнут путем изменения толщины слоев мононитрида кобальта (которая определяет скорость движения ионов) и частоты импульсов. Расположение материала позволяет контролировать магнитоионные свойства не только при подаче напряжения, но и, впервые, при снятии напряжения. Как только стимул внешнего напряжения исчезнет, намагниченность системы может быть уменьшена или увеличена, в зависимости от толщины материала и протокола, по которому ранее подавалось напряжение.

Этот новый эффект открывает целый ряд возможностей для новых нейроморфных вычислительных функций. Он предлагает новую логическую функцию, которая позволяет, например, имитировать нейронное обучение, которое происходит после стимуляции мозга, когда мы крепко спим. Эта функциональность не может быть эмулирована никаким другим типом существующих нейроморфных материалов.

"Когда толщина слоя мононитрида кобальта составляет менее 50 нанометров и при подаче напряжения с частотой более 100 циклов в секунду нам удалось эмулировать дополнительную логическую функцию: после подачи напряжения устройство можно запрограммировать на обучение или забвение без необходимости каких-либо дополнительный приток энергии, имитирующий синаптические функции, которые происходят в мозге во время глубокого сна, когда обработка информации может продолжаться без подачи какого-либо внешнего сигнала", - подчеркивают Джорди Сорт и Энрик Менендес.

Исследование, опубликованное в Горизонты материалов, возглавлялся исследователями из физического факультета UAB Джорди Сортом, также научным сотрудником Каталонского института исследований и перспективных разработок (ICREA), и Энриком Менендесом (профессором Серра-Хунтер). и при участии Чжэнвэй Тана, Джулиуса де Рохаса и Софии Мартинс, исследователей из физического факультета UAB; Айтора Лопеандиа из физического факультета UAB и Каталонского института нанонауки и нанотехнологий (ICN2); Альберто Кинтана из Барселонского института материаловедения (ICMAB-CSIC).; Хавьер Эрреро-Мартин из синхротрона ALBA; Хосе Л. Коста-Кремер из Института микро- и нанотехнологий (IMN-CNM-CSIC); и исследователи из CNR-SPIN в Италии и из IMEC и квантовой физики твердого тела (KU Leuven) в Бельгии.