Schematische voorstelling van de voorgestelde apparaatstructuur voor neuromorfe spintronische memristors. Het schrijfpad loopt tussen de terminals door de bovenste laag (zwarte stippellijn), het leespad loopt door de apparatenstapel (rode stippellijn). De rechterkant van de figuur geeft aan hoe de substraatkeuze bepaalt of het apparaat deterministisch of probabilistisch gedrag zal vertonen. Krediet: Banerjee-groep, Rijksuniversiteit Groningen
Klassieke computers gebruiken binaire waarden (0/1) om uit te voeren. Onze hersencellen kunnen daarentegen meer waarden gebruiken om te werken, waardoor ze energiezuiniger zijn dan computers. Dit is de reden waarom wetenschappers geïnteresseerd zijn in neuromorfisch (hersenachtig) computergebruik. Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen (Nederland) hebben een complex oxide gebruikt om met spins, een magnetische eigenschap van elektronen, elementen te creëren die vergelijkbaar zijn met de neuronen en synapsen in de hersenen. Hun resultaten zijn op 18 mei in het tijdschrift gepubliceerd Grenzen in nanotechnologie.
Hoewel computers veel sneller eenvoudige berekeningen kunnen maken dan mensen, presteren onze hersenen beter dan siliciummachines bij taken als objectherkenning. Bovendien verbruiken onze hersenen minder energie dan computers. Een deel hiervan is te verklaren door de manier waarop onze hersenen werken: terwijl een computer een binair systeem gebruikt (met waarden 0 of 1), kunnen hersencellen meer analoge signalen afgeven met een reeks waarden.
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, door hardware te creëren die meer hersenachtig is, maar ook zal 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 informatie te transporteren, te manipuleren en op te slaan.
In deze studie heeft haar Ph.D. student Anouk Goossens, eerste auteur van de paper, creëerde dunne films van een ferromagnetisch metaal (strontium-ruthenaatoxide, SRO) gekweekt op een substraat van strontiumtitanaatoxide. De resulterende dunne film bevat magnetische domeinen die loodrecht op het vlak van de film stonden. “Deze kunnen efficiënter worden geschakeld dan in-plane magnetische domeinen”, legt Goossens uit. Door de groeiomstandigheden aan te passen, is het mogelijk om de kristaloriëntatie in de SRO te regelen. Eerder zijn out-of-plane magnetische domeinen gemaakt met behulp van andere technieken, maar deze vereisen doorgaans 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 georiënteerd zijn, is deze omschakeling deterministisch: het hele domein zal omschakelen.” Wanneer de magnetische domeinen echter enigszins gekanteld zijn, is de respons waarschijnlijk: niet alle domeinen zijn hetzelfde en tussenliggende waarden treden op als slechts een deel van de kristallen in het domein is geschakeld.
Door varianten van het substraat te kiezen waarop de SRO wordt gekweekt, kunnen de wetenschappers de magnetische anisotropie beheersen. Hierdoor kunnen ze twee verschillende spintronische apparaten produceren. “Deze magnetische anisotropie is precies wat we wilden”, zegt Goossens. “Probabilistische omschakeling is vergelijkbaar met hoe neuronen functioneren, 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. Bovendien zou probabilistisch schakelen ook stochastisch computergebruik mogelijk maken, een veelbelovende technologie die continue waarden vertegenwoordigt door stromen van willekeurige bits. Banerjee: “We hebben een manier gevonden om tussenliggende toestanden te controleren, niet alleen voor geheugen maar ook voor computergebruik.”
AS Goossens et al, Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO3/ SrTiO3 Heterostructuren voor Spin-Memristors, Grenzen in nanotechnologie (2021). DOI: 10.3389 / fnano.2021.680468
Aangeboden door Rijksuniversiteit Groningen