Discovery dá um toque magnético à computação neuromórfica

Jul 22, 2023

28 de agosto de 2023

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por Randall Brown, Universidade do Tennessee em Knoxville

A palavra “fractais” pode inspirar imagens de cores psicodélicas espiralando até o infinito em uma animação por computador. Uma versão invisível, mas poderosa e útil, desse fenômeno existe no domínio das redes fractais magnéticas dinâmicas.

Dustin Gilbert, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e colegas publicaram novas descobertas sobre o comportamento dessas redes – observações que poderiam aprimorar as capacidades de computação neuromórfica.

Sua pesquisa é detalhada em seu artigo “Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks”, matéria de capa da edição de 17 de agosto de 2023 da Advanced Materials.

"A maioria dos materiais magnéticos - como os ímãs de geladeira - são compostos apenas de domínios onde todos os giros magnéticos se orientam paralelamente", disse Gilbert. "Há quase 15 anos, um grupo de pesquisa alemão descobriu esses ímãs especiais onde os spins formam laços - como um laço magnético em nanoescala. Eles são chamados de skyrmions."

Nomeado em homenagem ao lendário físico de partículas Tony Skyrme, o redemoinho magnético de um skyrmion confere-lhe uma topologia não trivial. Como resultado desta topologia, o skyrmion tem propriedades semelhantes às de partículas – são difíceis de criar ou destruir, podem mover-se e até ricochetear uns nos outros. O skyrmion também possui modos dinâmicos – eles podem mexer, sacudir, esticar, girar e respirar.

À medida que os skyrmions “saltam e saltam”, eles criam ondas de spin magnético com um comprimento de onda muito estreito. As interações dessas ondas formam uma estrutura fractal inesperada.

“Assim como uma pessoa dançando em uma piscina, elas geram ondas que ondulam para fora”, disse Gilbert. “Muitas pessoas dançando formam muitas ondas, que normalmente pareceriam um mar turbulento e caótico. Medimos essas ondas e mostramos que elas têm uma estrutura bem definida e formam coletivamente um fractal que muda trilhões de vezes por segundo”.

Os fractais são importantes e interessantes porque estão inerentemente ligados a um “efeito de caos” – pequenas mudanças nas condições iniciais levam a grandes mudanças na rede fractal.

“O que queremos chegar com isso é que se você tiver uma rede skyrmion e iluminá-la com ondas de spin, a maneira como as ondas percorrem essa estrutura geradora de fractais dependerá muito intimamente de sua construção”, disse Gilbert. . "Então, se você pudesse escrever skyrmions individuais, ele poderia efetivamente processar ondas de spin recebidas em algo na parte traseira - e é programável. É uma arquitetura neuromórfica."

A ilustração da capa da Advanced Materials mostra uma representação visual desse processo, com os skyrmions flutuando no topo de um turbulento mar azul ilustrativo da estrutura caótica gerada pelo fractal da onda de spin.

“Essas ondas interferem como se você jogasse um punhado de pedras em um lago”, disse Gilbert. "Você obtém uma bagunça agitada e turbulenta. Mas não é apenas uma bagunça simples, é na verdade um fractal. Temos um experimento agora mostrando que as ondas de spin geradas por skyrmions não são apenas uma bagunça de ondas, elas têm uma estrutura inerente de seus muito próprio. Ao, essencialmente, controlar as pedras que 'jogamos dentro', você obtém padrões muito diferentes, e é para isso que estamos caminhando.

A descoberta foi feita em parte por experimentos de dispersão de nêutrons no Reator de Isótopos de Alto Fluxo do Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) e no Centro de Pesquisa de Nêutrons do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). Os nêutrons são magnéticos e passam facilmente pelos materiais, tornando-os sondas ideais para estudar materiais com comportamento magnético complexo, como skyrmions e outros fenômenos quânticos.