Discovery donne une tournure magnétique à l’informatique neuromorphique

Le mot « fractales » pourrait inspirer des images de couleurs psychédéliques s’élevant vers l’infini dans une animation par ordinateur. Une version invisible, mais puissante et utile, de ce phénomène existe dans le domaine des réseaux fractals magnétiques dynamiques.

Dustin Gilbert, professeur adjoint au Département de science et d’ingénierie des matériaux, et ses collègues ont publié de nouvelles découvertes sur le comportement de ces réseaux, des observations qui pourraient faire progresser les capacités de calcul neuromorphique.

Leurs recherches sont détaillées dans leur article « Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks », article de couverture du numéro du 17 août 2023 de Matériaux avancés.

« La plupart des matériaux magnétiques, comme les aimants de réfrigérateur, sont simplement constitués de domaines dans lesquels les spins magnétiques sont tous orientés parallèlement », a déclaré Gilbert. « Il y a près de 15 ans, un groupe de recherche allemand a découvert ces aimants spéciaux dont les spins forment des boucles, comme un lasso magnétique à l’échelle nanométrique. On les appelle skyrmions. »

Nommé en l’honneur du légendaire physicien des particules Tony Skyrme, le tourbillon magnétique d’un skyrmion lui confère une topologie non triviale. En raison de cette topologie, le skyrmion a des propriétés semblables à celles des particules : ils sont difficiles à créer ou à détruire, ils peuvent se déplacer et même rebondir les uns sur les autres. Le skyrmion dispose également de modes dynamiques : il peut se tortiller, trembler, s’étirer, tourbillonner et respirer.

Lorsque les skyrmions « sautent et sautent », ils créent des ondes de spin magnétiques avec une longueur d’onde très étroite. Les interactions de ces ondes forment une structure fractale inattendue.

« Tout comme une personne dansant dans une mare d’eau, ils génèrent des vagues qui ondulent vers l’extérieur », a déclaré Gilbert. « Beaucoup de gens qui dansent font de nombreuses vagues, qui ressemblent normalement à une mer turbulente et chaotique. Nous avons mesuré ces vagues et montré qu’elles ont une structure bien définie et forment collectivement une fractale qui change des milliards de fois par seconde. »

Les fractales sont importantes et intéressantes car elles sont intrinsèquement liées à un « effet de chaos » : de petits changements dans les conditions initiales entraînent de grands changements dans le réseau fractal.

« Là où nous voulons en venir, c’est que si vous avez un réseau skyrmion et que vous l’éclairez avec des ondes de spin, la façon dont les ondes se frayent un chemin à travers cette structure génératrice de fractales dépendra très intimement de sa construction », a déclaré Gilbert. . « Donc, si vous pouviez écrire des skyrmions individuels, ils pourraient traiter efficacement les ondes de spin entrantes en quelque chose à l’arrière – et c’est programmable. C’est une architecture neuromorphique. »

Le Matériaux avancés L’illustration de couverture représente une représentation visuelle de ce processus, avec les skyrmions flottant au sommet d’une mer bleue turbulente, illustrant la structure chaotique générée par la fractale des ondes de spin.

« Ces vagues interfèrent comme si on jetait une poignée de cailloux dans un étang », explique Gilbert. « Vous obtenez un désordre saccadé et turbulent. Mais ce n’est pas n’importe quel désordre, c’est en fait une fractale. Nous avons maintenant une expérience montrant que les ondes de spin générées par les skyrmions ne sont pas seulement un désordre d’ondes, elles ont une structure inhérente à leur En gros, en contrôlant les pierres que nous « jetons », vous obtenez des modèles très différents, et c’est vers cela que nous nous dirigeons.

La découverte a été faite en partie grâce à des expériences de diffusion de neutrons au réacteur isotopique à haut flux du Laboratoire national d’Oak Ridge (ORNL) et au Centre de recherche sur les neutrons du National Institute of Standards and Technology (NIST). Les neutrons sont magnétiques et traversent facilement les matériaux, ce qui en fait des sondes idéales pour étudier les matériaux au comportement magnétique complexe tels que les skyrmions et d’autres phénomènes quantiques.

Les co-auteurs de Gilbert pour le nouvel article sont Nan Tang, Namila Liyanage et Liz Quigley, étudiantes dans son groupe de recherche ; Alex Grutter et Julie Borchers du National Institute of Standards and Technology (NIST), Lisa DeBeer-Schmidt et Mike Fitzsimmons du Oak Ridge National Laboratory ; et Eric Fullerton, Sheena Patel et Sergio Montoya de l’Université de Californie à San Diego.

La prochaine étape de l’équipe consiste à créer un modèle fonctionnel utilisant le comportement de skyrmion.

« Si nous pouvons développer des ordinateurs pensants, cela est bien sûr extrêmement important », a déclaré Gilbert. « Nous proposerons donc de créer une architecture neuromorphique miniaturisée à ondes de spin. » Il espère également que les répercussions de cette découverte de l’UT Knoxville inciteront les chercheurs à explorer les utilisations d’une gamme croissante d’applications futures.