Vortion, een nieuwe magnetische toestand die in staat is om neuronale synapsen na te bootsen

Onderzoekers van het Department of Physics zijn erin geslaagd om experimenteel een nieuwe magnetische toestand te ontwikkelen: een magneto-ionische vortex of “vortum”. Het onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatiezorgt voor een ongekend niveau van controle van magnetische eigenschappen op nanoschaal en op kamertemperatuur, en opent nieuwe horizonten voor de ontwikkeling van geavanceerde magnetische apparaten.

Het gebruik van big data heeft de energievraag in informatietechnologieën vermenigvuldigd. Over het algemeen gebruiken systemen om informatie op te slaan, systemen om elektrische stromen te schrijven om gegevens te schrijven, die stroom afzetten door de apparaten te verwarmen. Het regelen van magnetische herinneringen met spanning, in plaats van elektrische stromen, kan dit energieverbruik minimaliseren.

Een manier om dit te bereiken is door magneto-ionische materialen te gebruiken, die de manipulatie van hun magnetische eigenschappen mogelijk maken door ionen toe te voegen of te verwijderen door veranderingen in de polariteit van de toegepaste spanning. Tot nu toe hebben de meeste studies in dit gebied zich gericht op continue films, in plaats van op het beheersen van eigenschappen op nanometrische schaal in discrete “bits”, essentieel voor gegevensopslag met hoge dichtheid.

Bovendien is het bekend dat er nieuwe magnetische fenomenen kunnen ontstaan ​​op de sub-micrometerschaal die niet op macroscopisch niveau bestaan, zoals magnetische wervelingen-kleine wervelingachtige magnetische structuren. Deze wervelingen hebben toepassingen in de manier waarop magnetische gegevens momenteel worden opgenomen en gelezen, evenals in biomedicine. Desalniettemin is het veranderen van de vortex -toestand in reeds voorbereide materialen vaak onmogelijk of vereist grote hoeveelheden energie.

Onderzoekers van de UAB-afdeling natuurkunde, in samenwerking met wetenschappers van de ICMAB-CSIC, de Alba Synchrotron en onderzoeksinstellingen in Italië en de Verenigde Staten, stellen een nieuwe oplossing voor die magneto-ionics en magnetische wervelingen combineert. Onderzoekers ontwikkelden experimenteel een nieuwe magnetische toestand die ze Magneto-ionische vortex of ‘vortion’ hebben genoemd.

Dit nieuwe object maakt “on-demand” controle van de magnetische eigenschappen van een nanodot (een stip van nanometrische dimensies) mogelijk met hoge precisie. Dit wordt bereikt door stikstofionen te extraheren door de toepassing van spanning, waardoor efficiënte controle mogelijk is met een zeer lage energieverbruik.

“Dit is een tot nu toe onontgonnen object op het nanoschaal”, legt ICREA -onderzoeker uit op het UAB Department of Physics Jordi Sort, directeur van het onderzoek. “Er is een grote vraag naar het beheersen van magnetische toestanden op nanoschaal, maar verrassend genoeg is het grootste deel van het onderzoek naar magneto-ionici gericht op de studie van films van continue materialen.

“Als we kijken naar de effecten van ionenverplaatsing in discrete structuren van nanometerafmetingen, de ‘nanodots’ die we hebben geanalyseerd, zien we dat zeer interessante dynamisch evoluerende spinconfiguraties verschijnen, die uniek zijn voor dit soort structuren.”

Deze spinconfiguraties en de magnetische eigenschappen van de wervelingen variëren als een functie van de duur van de toegepaste spanning. Aldus kunnen verschillende magnetische toestanden (bijvoorbeeld wervelingen met verschillende eigenschappen of toestanden met uniforme magnetische oriëntatie) worden gegenereerd uit nanodots van een aanvankelijk niet-magnetisch materiaal door de geleidelijke extractie van ionen door de toepassing van spanning.

“Met de ‘vortions’ die we hebben ontwikkeld, kunnen we een ongekende controle hebben van magnetische eigenschappen zoals magnetisatie, dwang, remanentie, anisotropie of de kritieke velden waarop vortels worden gevormd of vernietigd.

“Dit zijn fundamentele eigenschappen voor het opslaan van informatie in magnetische herinneringen, die we nu in staat zijn om op een analoge en omkeerbare manier te regelen en af ​​te stemmen door een spanningsgeactiveerd proces met een zeer lage energieverbruik,” legt Irena Spasojević, postdoctorale onderzoeker in de UAB-afdeling van fysica en eerste auteur van de paper.

“De spanningsbewerkingsprocedure, in plaats van het gebruik van elektrische stroom, voorkomt verwarming in apparaten zoals laptops, servers en datacenters, en het vermindert het energieverlies drastisch.”

Onderzoekers hebben aangetoond dat door de dikte van de spanningsgegenereerde magnetische laag nauwkeurig te regelen, de magnetische toestand van het materiaal naar wil kan worden gevarieerd, op een gecontroleerde en omkeerbare manier, tussen een niet-magnetische toestand, een toestand met een uniforme magnetische oriëntatie (zoals die in een magnet) en de nieuwe magnetische vorte-vorte-toestand.

Vermogen om het gedrag van neuronale synapsen na te bootsen

Dit ongekende niveau van controle van magnetische eigenschappen op nanoschaal en op kamertemperatuur opent nieuwe horizonten voor de ontwikkeling van geavanceerde magnetische apparaten met functionaliteiten die kunnen worden aangepast zodra het materiaal is gesynthetiseerd. Dit biedt een grotere flexibiliteit die nodig is om aan specifieke technologische eisen te voldoen.

“We zien bijvoorbeeld de integratie van herconfigureerbare magneto-ionische wervelingen in neurale netwerken als dynamische synapsen, in staat om het gedrag van biologische synapsen na te bootsen”, zegt Sort. In de hersenen hebben de verbindingen tussen neuronen, de synapsen, verschillende gewichten (intensiteiten) die zich dynamisch aanpassen aan de activiteit en het leerproces.

Evenzo kunnen “vortions” instelbare neuronale synaptische gewichten bieden, weerspiegeld in herconfigureerbare magnetisatie of anisotropiewaarden, voor neuromorfe (herseninspired) spintronic-apparaten. In feite wordt “de activiteit van biologische neuronen en synapsen ook geregeld door elektrische signalen en ionenmigratie, analoog aan onze magneto-ionische eenheden”, zegt Spasojević.

Onderzoekers zijn van mening dat, naast hun impact op hersens-geïnspireerde apparaten, analoge computergebruik of multi-state gegevensopslagsystemen, vortions andere potentiële toepassingen kunnen hebben, waaronder medische therapietechnieken zoals theragnostiek, gegevensbeveiliging, magnetische spin computing-apparaten (spin-logica) (spinlogics) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogica) (spinlogics) en het genereren van spingolven (Magnonics).