Los físicos de la Universidad de Groningen han utilizado un óxido complejo para crear elementos comparables a las neuronas y sinapsis del cerebro mediante espines, una propiedad magnética de los electrones. La razón por las que los científicos están interesados en la computación neuromórfica (similar al cerebro) es que las computadoras clásicas usan valores binarios (0/1) para funcionar, mientras que por el contrario, nuestras células cerebrales pueden utilizar más valores para funcionar, lo que las hace más eficientes energéticamente que las computadoras. Sus resultados fueron publicados el 18 de mayo en la revista Frontiers in Nanotechnology.
Nuestros cerebros superan al silicio en algunos cálculos
Aunque las computadoras pueden hacer cálculos sencillos mucho más rápido que los humanos, nuestros cerebros superan a las máquinas de silicio en tareas como el reconocimiento de objetos. Además, nuestro cerebro usa menos energía que las computadoras. Parte de esto puede explicarse por la forma en que funciona nuestro cerebro: mientras que una computadora usa un sistema binario (con valores 0 o 1), las células cerebrales pueden proporcionar más señales analógicas con un rango de valores.
El funcionamiento de nuestro cerebro se puede simular en computadoras, pero la arquitectura básica aún se basa en un sistema binario.
Es por eso que los científicos buscan formas de expandir esto, creando hardware que es más parecido al cerebro, pero que también interactuará con computadoras normales. «Una idea es crear bits magnéticos que pueden tener estados intermedios», dice Tamalika Banerjee, profesora de espintrónica de materiales funcionales en el Instituto Zernike de Materiales Avanzados de la Universidad de Groningen. La espintrónica utiliza una propiedad magnética de los electrones llamada «espín» para transportar, manipular y almacenar información.
Nuevo material super delgado
En este estudio, su estudiante de doctorado Anouk Goossens, primer autor del artículo, creó películas delgadas de un metal ferromagnético (óxido de rutenato de estroncio, SRO) cultivado sobre un sustrato de óxido de titanato de estroncio. La película delgada resultante contenía dominios magnéticos que eran perpendiculares al plano de la película. «Estos se pueden cambiar de manera más eficiente que los dominios magnéticos en el plano», explica Goossens. Adaptando las condiciones de crecimiento, es posible controlar la orientación de los cristales en el SRO. Anteriormente, los dominios magnéticos fuera del plano se hacían usando otras técnicas, pero estas típicamente requieren estructuras de capas complejas.
Anisotropía magnética
Los dominios magnéticos se pueden cambiar usando una corriente a través de un electrodo de platino en la parte superior del SRO. Goossens explica que «cuando los dominios magnéticos se orientan perfectamente perpendiculares a la película, este cambio es determinista: todo el dominio cambiará». Sin embargo, cuando los dominios magnéticos están ligeramente inclinados, la respuesta es probabilística: no todos los dominios son iguales, y los valores intermedios ocurren cuando solo una parte de los cristales en el dominio han cambiado.
Al elegir variantes del sustrato sobre el que se cultiva el SRO, los científicos pueden controlar su anisotropía magnética.
Esto les permite producir dos dispositivos espintrónicos diferentes. «Esta anisotropía magnética es exactamente lo que queríamos», dice Goossens. «La conmutación probabilística se compara con el funcionamiento de las neuronas, mientras que la conmutación determinista se parece más a una sinapsis».
Los científicos esperan que en el futuro, se pueda crear hardware de computadora similar al cerebro combinando estos diferentes dominios en un dispositivo espintrónico que se pueda conectar a circuitos estándar basados en silicio. Además, la conmutación probabilística también permitiría la computación estocástica, una tecnología prometedora que representa valores continuos mediante flujos de bits aleatorios.
Banerjee: «Hemos encontrado una forma de controlar los estados intermedios, no solo para la memoria, sino también para la informática».
Referencia: AS Goossens, MAT Leiviskä y T. Banerjee: Anisotropía y control de corriente de magnetización en heteroestructuras SrRuO3 / SrTiO3 para memistores de espín. Fronteras en nanotecnología 18 de mayo de 2021
Ilustración: Esquema de la estructura del dispositivo propuesto para memristores espintrónicos neuromórficos. La ruta de escritura se encuentra entre los terminales a través de la capa superior (línea punteada negra), la ruta de lectura pasa por la pila de dispositivos (línea punteada roja). El lado derecho de la figura indica cómo la elección del sustrato dicta si el dispositivo mostrará un comportamiento determinista o probabilístico. | Ilustración Grupo Banerjee
Fuente: Rijksuniversiteit Groningen
