Onderzoekers ontwikkelen materiaal dat nabootst hoe de hersenen informatie opslaan

Rol van CoN-filmdikte in ionenbeweging. (a) Schematische weergave van de spanningsactivering op CoN-films door elektrolyt-gating. (b) Schets van de elektrische dubbellaag (EDL) gevormd aan het oppervlak van de CoN-films tijdens elektrolyt-gating bij V S) als functie van de tijd t voor alle onderzochte CoN-films onder elektrolyt-gating bij −25 V tijdens het aanbrengen een extern in-plan magnetisch veld van 10 kOe. (d) Afgeleide van de M_S

Onderzoekers van de Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) hebben een magnetisch materiaal ontwikkeld dat de manier waarop de hersenen informatie opslaan kan imiteren. Het materiaal maakt het mogelijk om de synapsen van neuronen na te bootsen en voor het eerst het leren na te bootsen dat optreedt tijdens diepe slaap.

Neuromorphic computing is een nieuw computerparadigma waarin het gedrag van de hersenen wordt nagebootst door de belangrijkste synaptische functies van neuronen na te bootsen. Een van deze functies is neuronale plasticiteit: het vermogen om informatie op te slaan of te vergeten, afhankelijk van de duur en herhaling van de elektrische impulsen die neuronen stimuleren, een plasticiteit die verband houdt met leren en geheugen.

Onder de materialen die neuronsynapsen nabootsen, vallen memresistieve materialen, ferro-elektriciteit, faseveranderingsgeheugenmaterialen, topologische isolatoren en, meer recentelijk, magneto-ionische materialen op. In het laatste geval worden veranderingen in de magnetische eigenschappen geïnduceerd door de verplaatsing van ionen in het materiaal veroorzaakt door het aanleggen van een elektrisch veld.

In deze materialen is bekend hoe het magnetisme wordt gemoduleerd bij het aanleggen van het elektrische veld, maar de evolutie van magnetische eigenschappen wanneer de spanning wordt gestopt (dat wil zeggen, de evolutie na de stimulus) is moeilijk te beheersen. Dit maakt het ingewikkeld om sommige door de hersenen geïnspireerde functies na te bootsen, zoals het handhaven van de efficiëntie van het leren dat plaatsvindt, zelfs als de hersenen in een diepe slaap (dwz zonder externe stimulatie) zijn.

Deze studie, geleid door onderzoekers van het UAB Department of Physics Jordi Sort en Enric Menéndez, in samenwerking met de ALBA Synchrotron, het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) en de ICMAB, stelt een nieuwe manier voor om de evolutie van magnetisatie zowel in de gestimuleerde en in de post-stimulus toestanden.

De onderzoekers hebben een materiaal ontwikkeld op basis van een dunne laag kobaltmononitride (CoN) waarmee door het aanleggen van een elektrisch veld de accumulatie van N-ionen op het grensvlak tussen de laag en een vloeibaar elektrolyt waarin de laag is geplaatst kan worden gecontroleerd. .

“Het nieuwe materiaal werkt met de beweging van ionen gecontroleerd door elektrische spanning, op een manier die analoog is aan onze hersenen, en met snelheden die vergelijkbaar zijn met die geproduceerd in neuronen, in de orde van milliseconden”, leggen ICREA-onderzoeksprofessor Jordi Sort en Serra Húnter Tenure uit. -track Professor Enric Menéndez. “We hebben een kunstmatige synaps ontwikkeld die in de toekomst de basis kan vormen voor een nieuw computerparadigma, een alternatief voor het paradigma dat door de huidige computers wordt gebruikt”, zeggen Sort en Menéndez.

Door het aanleggen van spanningspulsen is het mogelijk geworden om op gecontroleerde wijze processen zoals geheugen, informatieverwerking, informatieopvraging en, voor het eerst, het gecontroleerd bijwerken van informatie zonder aangelegde spanning te emuleren. Deze controle is bereikt door de dikte van de kobaltmononitridelagen (die de snelheid van de ionenbeweging bepaalt) en de frequentie van de pulsen te wijzigen.

Door de opstelling van het materiaal kunnen de magneto-ionische eigenschappen niet alleen worden gecontroleerd wanneer de spanning wordt aangelegd, maar ook, voor de eerste keer, wanneer de spanning wordt verwijderd. Zodra de externe spanningsstimulus verdwijnt, kan de magnetisatie van het systeem worden verminderd of verhoogd, afhankelijk van de dikte van het materiaal en het protocol hoe de spanning eerder is toegepast.

Dit nieuwe effect opent een hele reeks mogelijkheden voor nieuwe neuromorfische computerfuncties. Het biedt een nieuwe logische functie die het bijvoorbeeld mogelijk maakt om het neurale leren na te bootsen dat optreedt na hersenstimulatie, wanneer we diep slapen. Deze functionaliteit kan niet worden nagebootst door enig ander type bestaande neuromorfe materialen.

“Wanneer de dikte van de kobaltmononitridelaag minder dan 50 nanometer is en met een spanning die wordt aangelegd met een frequentie van meer dan 100 cycli per seconde, zijn we erin geslaagd een extra logische functie na te bootsen: zodra de spanning is aangelegd, kan het apparaat worden geprogrammeerd om leren of vergeten, zonder dat er extra energie voor nodig is, waarbij de synaptische functies worden nagebootst die plaatsvinden in de hersenen tijdens diepe slaap, wanneer de informatieverwerking kan doorgaan zonder een extern signaal toe te passen”, zegt Jordi Sort.

Het onderzoek is gepubliceerd in Materialen Horizons.