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新材料为生物计算机打造“神经元”和“突触”

虽然电脑的计算速度比人脑快,但在物体识别任务等方面,人脑还是更胜一筹。除此之外,人脑耗费的能量也远低于电脑。大脑的运作方式可以在一定程度上解释以上优势:计算机使用二进制值运作,而脑细胞则能使用更加多样化的模拟信号。

电脑可以模拟大脑的运作方式,但其基本架构仍然依赖于二进制系统。这也解释了为何科学家总试图研发出更接近人脑但又能与普通电脑交互的硬件。“一个想法是制造具有中间状态的磁性比特。”格罗宁根大学的功能材料自旋电子学教授Tamalika Banerjee说。她的研究方向是自旋电子学,即利用电子的自旋磁性传输、操纵和存储信息。

近日,Banerjee教授及其团队使用一种复杂的氧化物,利用电子的自旋(一种磁性特性)创造出了与人脑中的神经元突触类似的元件。在这项新研究中,博士生Anouk Goossens培育了一种在钛酸锶氧化物基底上生长的铁磁性金属(SRO)薄膜。该薄膜包含垂直于平面的磁畴。Goossens解释:“垂直磁畴的转换效率比平面内磁畴更高。”通过调整生长条件,人们可以控制SRO中的晶体取向。

我们可以利用SRO顶部的铂电极通过电流来切换磁畴。“当磁畴完全垂直于薄膜时,这种开关是确定性的:整个磁畴将会切换。”Goossens说。然而,当磁畴轻微倾斜时,响应将是概率性的:并非所有的畴都相同,只有当畴内的部分晶体发生切换时才会出现中间值。

通过选择不同的SRO培育衬底,科学家可以控制其磁各向异性(magnetic anisotropy)。由此,他们可以制造两种不同的自旋电子装置。“这种磁各向异性正是我们想要的。与神经元的功能相比,概率开关更像是神经元的功能,而确定性开关更像是突触。”Goossens说。

科学家们预计,在未来,通过将这些不同的领域融入同一自旋电子设备,并将其连接到标准的硅基电路中,可以创造出类似大脑的计算机硬件。此外,概率交换也允许进行随机计算,这是一种极具前景的技术,它通过随机比特流表示连续值。Banerjee说:“我们已经找到了一种控制中间状态的方法,不仅可用于存储,也可用于计算。”

科界原创

编译:橘子 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《纳米技术前沿》

期刊编号:2673-3013

原文链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210518114141.htm

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