Får spintroniske neuroner til at synge i kor

Hvad flyver ild, Huygens vægure, og endda hjertet af korsangere, har til fælles? De kan alle synkronisere deres respektive individuelle signaler til en enkelt unison tone eller rytme.

Nu har forskere ved Göteborg Universitet undervist i to forskellige nye klasser af nanoskopiske mikrobølgesignaloscillatorer, som kan bruges som fremtidige spintroniske neuroner, at synge sammen med deres naboer.

Tidligere i år, de annoncerede den første vellykkede synkronisering af fem såkaldte nano-kontakt spinmomentoscillatorer. I det system, en af ​​nano-kontakterne spillede rollen som dirigenten, beslutter, hvilken note der skal synges, og de andre nano-kontakter fulgte gladeligt efter hende. Denne synkroniserede tilstand beskrives bedst som drevet og retningsbestemt, da hver nano-kontakt i kæden kun lyttede til sin opstrøms nabo, justeret sin egen frekvens iht. og håndhævede derefter denne frekvens på den næste nabo nedstrøms. Interaktionsstyrken er den samme mellem hver nabo, og kæden kan derfor gøres meget lang, uden at nogen oscillator synger ustemt.

Denne gang har den samme forskergruppe demonstreret synkronisering af så mange som ni nanokonstriktionsbaserede spin Hall nano-oscillatorer. I dette system, der er ingen dirigent. I stedet er organisationen helt flad, og hver oscillator lytter nu til begge sine naboer. Som en konsekvens, sedlen afgøres på en demokratisk måde, hvor den endelige unisone tilstand er et aftalt kompromis mellem alle de originale individuelle frekvenser. Den synkroniserede tilstand beskrives derfor bedst som både gensidig og tovejs. Det betyder, at information nu kan bevæge sig i begge retninger, og en forstyrrelse på et hvilket som helst sted langs oscillatorkæden kan føre til en justering af tonen i hele koret.

Ved at gøre brug af spin Hall-effekten, ikke kun for at drive hver oscillator, men også for at forbedre koblingen mellem nanokonstriktionerne, forfatterne var også i stand til at synkronisere to oscillatorer adskilt med op til 4 mikrometer.

"Da nano-konstriktionerne kun er 100 nm store, dette ville svare til en linje på ni sangere, hver sanger står omkring 80 meter fra sin nærmeste nabo, og stadig alle sangere bliver ved med at stemme, " siger Ahmad Awad, undersøgelsens første forfatter. "Synkroniseringen er derfor meget robust".

Forskerne forestiller sig, at begge typer oscillatorer kan spille nøgleroller i fremtidige oscillerende netværk til bølgebaseret neuromorfisk databehandling. For eksempel, input og output fra netværket kræver retningsbestemthed for at sikre, at informationen bevæger sig i den rigtige retning, og at udgangene ikke forstyrres af potentiel interferens eller andre falske signaler. Imidlertid, inde i netværket, man ønsker at gøre brug af paralleliteten og den kollektive respons fra alle oscillatorer. Dette kræver derfor bi-direktionalitet og gensidig synkronisering i selve netværket.

siger prof. Johan Åkerman, hovedefterforskeren bag resultaterne:"Demonstrationen af ​​nøglekoncepterne for både drevet og gensidig synkronisering i nanoskopiske mikrobølgeoscillatorer er egentlig kun det første skridt. Robustheden af ​​vores resultater giver os nu designfrihed til at udforske oscillatornetværk af enhver størrelse ved hjælp af en lang række forskellige layouts, der kun er begrænset af ens fantasi. Tilføj potentialet for neuromorfe computere, og du kan se, hvorfor vi er så begejstrede! "