Klassieke computers gebruiken binaire waarden (0/1) om te presteren. Daarentegen, onze hersencellen kunnen meer waarden gebruiken om te functioneren, waardoor ze energiezuiniger zijn dan computers. Daarom zijn wetenschappers geïnteresseerd in neuromorfisch (hersenachtig) computergebruik. Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) hebben een complex oxide gebruikt om met behulp van spins elementen te creëren die vergelijkbaar zijn met de neuronen en synapsen in de hersenen, een magnetische eigenschap van elektronen. Hun resultaten werden op 18 mei gepubliceerd in het tijdschrift Grenzen in nanotechnologie.

Hoewel computers veel sneller eenvoudige berekeningen kunnen doen dan mensen, onze hersenen presteren beter dan siliciummachines in taken zoals objectherkenning. Verder, ons brein verbruikt minder energie dan computers. Een deel hiervan kan worden verklaard door de manier waarop onze hersenen werken:terwijl een computer een binair systeem gebruikt (met waarden 0 of 1), hersencellen kunnen meer analoge signalen met een reeks waarden leveren.

Dunne films

De werking van onze hersenen kan worden gesimuleerd in computers, maar de basisarchitectuur is nog steeds gebaseerd op een binair systeem. Daarom zoeken wetenschappers naar manieren om dit uit te breiden, hardware maken die meer hersenachtig is, maar zal ook communiceren met normale computers. "Een idee is om magnetische bits te maken die tussenliggende toestanden kunnen hebben, " zegt Tamalika Banerjee, Hoogleraar Spintronica van Functionele Materialen aan het Zernike Institute for Advanced Materials, Rijksuniversiteit Groningen. Ze werkt aan spintronica, die een magnetische eigenschap van elektronen, 'spin' genaamd, gebruikt om te transporteren, informatie manipuleren en opslaan.

In dit onderzoek, haar doctoraat student Anouk Goossens, eerste auteur van het artikel, creëerde dunne films van een ferromagnetisch metaal (strontium-ruthenaatoxide, SRO) gekweekt op een substraat van strontiumtitanaatoxide. De resulterende dunne film bevatte magnetische domeinen die loodrecht op het vlak van de film stonden. "Deze kunnen efficiënter worden geschakeld dan magnetische domeinen in het vlak, " legt Goossens uit. Door de groeiomstandigheden aan te passen, het is mogelijk om de kristaloriëntatie in de SRO te regelen. Eerder, out-of-plan magnetische domeinen zijn gemaakt met behulp van andere technieken, maar deze vereisen typisch complexe laagstructuren.

Magnetische anisotropie

De magnetische domeinen kunnen worden geschakeld met behulp van een stroom door een platina-elektrode bovenop de SRO. Goossens:"Als de magnetische domeinen perfect loodrecht op de film staan, deze omschakeling is deterministisch:het hele domein schakelt over." wanneer de magnetische domeinen enigszins gekanteld zijn, het antwoord is probabilistisch:niet alle domeinen zijn hetzelfde, en tussenliggende waarden treden op wanneer slechts een deel van de kristallen in het domein is overgeschakeld.

Door varianten te kiezen van het substraat waarop de SRO wordt gekweekt, de wetenschappers kunnen de magnetische anisotropie beheersen. Hierdoor kunnen ze twee verschillende spintronic-apparaten produceren. "Deze magnetische anisotropie is precies wat we wilden, ", zegt Goossens. "Probabilistisch schakelen is vergelijkbaar met hoe neuronen werken, terwijl de deterministische omschakeling meer op een synaps lijkt."

De wetenschappers verwachten dat in de toekomst, hersenachtige computerhardware kan worden gemaakt door deze verschillende domeinen te combineren in een spintronisch apparaat dat kan worden aangesloten op standaard op silicium gebaseerde circuits. Verder, probabilistisch schakelen zou ook stochastische berekeningen mogelijk maken, een veelbelovende technologie die continue waarden vertegenwoordigt door stromen van willekeurige bits. Banerjee:"We hebben een manier gevonden om tussenliggende staten te controleren, niet alleen voor geheugen, maar ook voor computers."