Wat vliegt vuur, Huygens' wandklokken, en zelfs het hart van koorzangers, gemeenschappelijk hebben? Ze kunnen allemaal hun respectieve individuele signalen synchroniseren tot één enkele unisono toon of ritme.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Göteborg twee verschillende opkomende klassen van nanoscopische microgolfsignaaloscillatoren onderwezen, die kunnen worden gebruikt als toekomstige spintronische neuronen, om samen met hun buren te zingen.

Eerder dit jaar, ze kondigden de eerste succesvolle synchronisatie aan van vijf zogenaamde nano-contact spin-torque oscillatoren. In dat systeem, een van de nano-contacten speelde de rol van de geleider, beslissen welke noot te zingen, en de andere nano-contacten volgden graag haar voorbeeld. Deze gesynchroniseerde toestand was het best te omschrijven als gedreven en directioneel, aangezien elk nano-contact in de keten alleen naar zijn bovenstroomse buur luisterde, zijn eigen frequentie aangepast in overeenstemming, en dwong deze frequentie vervolgens af op de volgende buur stroomafwaarts. De interactiesterkte is hetzelfde tussen elke buur en de ketting kan daarom erg lang worden gemaakt zonder dat de oscillator vals zingt.

Deze keer heeft dezelfde onderzoeksgroep de synchronisatie aangetoond van maar liefst negen op nanovernauwing gebaseerde spin Hall-nano-oscillators. In dit systeem, er is geen dirigent. In plaats daarvan is de organisatie volledig plat, waarbij elke oscillator nu naar beide buren luistert. Als gevolg hiervan, de nota wordt op democratische wijze beslist, waarbij de uiteindelijke unisono staat een overeengekomen compromis is tussen alle originele individuele frequenties. De gesynchroniseerde toestand kan daarom het best worden omschreven als zowel wederzijds als bidirectioneel. Dit betekent dat informatie nu in beide richtingen kan reizen en een verstoring op elke locatie langs de oscillatorketen kan leiden tot een aanpassing van de toon van het hele koor.

Door gebruik te maken van het spin Hall-effect, niet alleen om elke oscillator van stroom te voorzien, maar ook om de koppeling tussen de nano-vernauwingen te verbeteren, de auteurs waren ook in staat om twee oscillatoren te synchroniseren die tot 4 micrometer van elkaar waren gescheiden.

"Omdat de nano-vernauwingen slechts 100 nm groot zijn, dit zou overeenkomen met een lijn van negen zangers, elke zanger staat zo'n 80 meter van zijn naaste buur, en toch blijven alle zangers op de hoogte, " zegt Ahmad Awad, de eerste auteur van de studie. "De synchronisatie is dus zeer robuust".

De onderzoekers stellen zich voor dat beide typen oscillatoren een sleutelrol kunnen spelen in toekomstige oscillerende netwerken voor op golven gebaseerde neuromorfische computers. Bijvoorbeeld, inputs en outputs van het netwerk vereisen directionaliteit om ervoor te zorgen dat de informatie in de juiste richting gaat en dat de outputs niet worden gestoord door mogelijke interferentie of andere onechte signalen. Echter, binnen het netwerk, men wil gebruik maken van het parallellisme en de collectieve respons van alle oscillatoren. Dit vereist dus bi-directionaliteit en onderlinge synchronisatie binnen het netwerk zelf.

Zegt prof. Johan Åkerman, de hoofdonderzoeker achter de resultaten:"De demonstratie van de belangrijkste concepten van zowel aangedreven als wederzijdse synchronisatie in nanoscopische microgolfoscillatoren is eigenlijk slechts de eerste stap. De robuustheid van onze resultaten geeft ons nu de ontwerpvrijheid om oscillatornetwerken van elk willekeurig grootte met behulp van een breed scala aan verschillende lay-outs die alleen worden beperkt door iemands verbeeldingskracht. Voeg het potentieel voor neuromorfisch computergebruik toe en je begrijpt waarom we zo enthousiast zijn!