Новый магнитный материал имитирует хранение информации человеческим мозгом

Новая концепция, называемая нейроморфными вычислениями, имитирует основные синаптические функции нейронов. Это нужно, чтобы, в свою очередь, можно было копировать поведение и функции человеческого мозга. Одной из синаптических функций является пластичность нейронов, связанная с обучением и памятью. Эта пластичность позволяет нейронам сохранять информацию или забывать ее в зависимости от длины и частоты электрических импульсов, которые их активируют.

Среди материалов, позволяющих имитировать нейронные синапсы, выделяются мемрезистивные материалы, ферроэлектрики, топологические изоляторы. Также недавно к ним отнесли магнитоионные материалы. В их случае приложение электрического поля вызывает перемещение ионов внутри материала, что приводит к изменению магнитных характеристик вещества.

Хотя модуляция магнетизма в этих материалах при приложении электрического поля хорошо изучена, сложно контролировать эволюцию магнитных характеристик при прекращении подачи напряжения (т. е. эволюцию, следующую за стимулом). Это затрудняет воспроизведение некоторых процессов, происходящих в мозгу, таких как сохранение эффективности обучения, даже когда мозг находится без внешней стимуляции, в состоянии глубокого сна.

В исследовании, вышедшем в журнале Materials Horizons, международная группа ученых предложила новый способ управления эволюцией намагниченности как в стимулированном, так и в постстимульном состояниях. Фактически исследователи разработали магнитный материал, способный имитировать то, как мозг хранит информацию. 

Материал был создан на основе тонкого слоя мононитрида кобальта (CoN), в котором с помощью электрического поля можно контролировать накопление ионов азота на границе между этим слоем и жидким электролитом, в который он был помещен.

Новый материал работает с движением ионов, контролируемым электрическим напряжением, аналогично нашему мозгу, и со скоростями, подобными тем, которые производятся в нейронах. Искусственный синапс в будущем может стать основой новой вычислительной парадигмы, альтернативной той, что используется нынешними компьютерами.

А используя импульсы напряжения, стало возможным контролируемым образом имитировать такие процессы, как память, обработка информации, поиск информации и, наконец, впервые получилось копировать контролируемое обновление информации мозгом без приложенного напряжения, то есть при его снятии.

Для этого ученые меняли толщину слоя мононитрида кобальта, контролирующего скорость движения ионов, и частоту импульсов. Как только внешний стимул напряжения исчезал, намагниченность системы могла быть уменьшена или увеличена, в зависимости от толщины материала и принципа того, как ранее применялось напряжение. А когда толщина слоя мононитрида кобальта составляла менее 50 нм, при этом напряжение прикладывалось с частотой более 100 циклов в секунду, ученым удалось эмулировать дополнительную логическую функцию: программирование на обучение или забывание без необходимости какого-либо дополнительного приложения энергии. Это имитировало синаптические функции, которые происходят в человеческом мозге во время глубокого сна, когда обработка информации может продолжаться без подачи какого-либо внешнего сигнала.

Таким образом ученые получили доступ к новым нейроморфным вычислительным функциям. Например, можно имитировать обучение нейронов после стимуляции мозга, когда мы глубоко спим. Другие виды нейроморфных материалов, представленные в настоящее время на рынке, не позволяют такого делать.