La UAB i el Sincrotró reprodueixen artificialment les funcions d’aprenentatge i oblit del cervell amb sistemes magnètics

Una recerca liderada per la UAB ha aconseguit emular capacitats neuromòrfiques d’aprenentatge utilitzant fines capes d’òxid de cobalt. L’experiment, realitzat al Sincrotró Alba, és un nou pas cap als ordinadors inspirats en el cervell. La computació neuromòrfica les memòries magnètiques i l’espintrònica es beneficiaran dels resultats d’aquest estudi.

Aquesta recerca és un avenç destacat davant els reptes que suposen l’arribada del Big Data ja que les arquitectures computacionals actuals estan resultant ser insuficients. Des de la UAB apunten que 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, ja que és un nou paradigma de computació inspirat en el cervell que 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 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 

Des de l’Autònoma indiquen que fins ara la majoria de sistemes emprats per aquesta finalitat estaven controlats en última instància mitjançant corrents elèctriques, cosa que implicava “una important pèrdua d’energia per dissipació de calor”. La proposta dels investigadors utilitza 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”. 

Encara que la dissipació de calor  que es perdia disminueix amb els efectes de la migració d’ions, iun altre problema que sorgeix en la recerca és que 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. 

Esquema de la formació de la doble capa electrolítica

En aquest punt de la investigació és on entra el Sincrotró Alba. A la seva línia de llum BOREAS es van realitzar els espectres d’absorció de raigs X (XAS) de les mostres una tècnica que va permetre comprovar que l’estat d’oxidació de les capes d’òxid de cobalt 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. 

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, es van induir 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”. 

Altres beneficis de la recerca

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. 

...........................

Imatges

Foto de ThisIsEngineering en Pexels

Esquema de la formació de la doble capa electrolítica. Cedida per UAB/ALBA