Discovery는 뉴로모픽 컴퓨팅에 자기적 스핀을 적용했습니다.

Jul 22, 2023

2023년 8월 28일

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작성자: Randall Brown, 테네시 대학교 녹스빌

"프랙탈"이라는 단어는 컴퓨터 애니메이션에서 무한대로 나선형으로 나선형을 그리는 환각적인 색상의 이미지에 영감을 줄 수 있습니다. 눈에 보이지 않지만 강력하고 유용한 이 현상은 동적 자기 프랙탈 네트워크 영역에 존재합니다.

재료 과학 및 공학부 조교수 Dustin Gilbert와 동료들은 이러한 네트워크의 동작에 대한 새로운 연구 결과를 발표했습니다. 이는 뉴로모픽 컴퓨팅 기능을 향상시킬 수 있는 관찰입니다.

그들의 연구는 Advanced Materials 2023년 8월 17일호 표지 기사 "Skyrmion-Excited Spin-Wave Fractal Networks" 기사에 자세히 설명되어 있습니다.

"냉장고 자석과 같은 대부분의 자성 재료는 자기 스핀이 모두 평행하게 회전하는 영역으로 구성됩니다."라고 Gilbert는 말했습니다. "거의 15년 전, 독일 연구 그룹은 나노 크기의 자기 올가미처럼 스핀이 고리를 만드는 특수 자석을 발견했습니다. 이것을 스커미온이라고 합니다."

전설적인 입자 물리학자인 Tony Skyrme의 이름을 딴 스커미온의 자기 소용돌이는 매우 중요한 토폴로지를 제공합니다. 이 토폴로지의 결과로 스커미온은 입자와 같은 특성을 가지게 됩니다. 즉, 생성하거나 파괴하기 어렵고 움직이거나 서로 튕겨 나갈 수도 있습니다. skyrmion에는 동적 모드도 있습니다. 흔들기, 흔들기, 늘리기, 소용돌이 및 숨쉬기를 할 수 있습니다.

스커미온은 "점프 앤 자이브(jump and jive)"하면서 매우 좁은 파장의 자기 스핀파를 생성하고 있습니다. 이러한 파동의 상호작용은 예상치 못한 프랙탈 구조를 형성합니다.

"물웅덩이에서 춤추는 사람처럼 그들은 바깥쪽으로 파문을 일으키는 파도를 생성합니다"라고 Gilbert는 말했습니다. "많은 사람들이 춤을 추면서 많은 파도를 만듭니다. 이는 일반적으로 격동적이고 혼란스러운 바다처럼 보입니다. 우리는 이러한 파도를 측정한 결과 잘 정의된 구조를 가지고 있으며 집합적으로 초당 수조 번 변하는 프랙탈을 형성한다는 것을 보여주었습니다."

프랙탈은 본질적으로 "카오스 효과"와 연결되어 있기 때문에 중요하고 흥미롭습니다. 초기 조건의 작은 변화는 프랙탈 네트워크의 큰 변화로 이어집니다.

"우리가 가고 싶은 것은 스커미온 격자가 있고 스핀파로 그것을 비추면 파동이 이 프랙탈 생성 구조를 통과하는 방식이 구조에 매우 밀접하게 의존하게 될 것입니다."라고 Gilbert는 말했습니다. . "따라서 개별 스커미온을 작성할 수 있다면 들어오는 스핀파를 뒷면의 무언가로 효과적으로 처리할 수 있으며 프로그래밍이 가능합니다. 뉴로모픽 아키텍처입니다."

Advanced Materials 표지 그림은 스핀파 프랙탈에 의해 생성된 혼란스러운 구조를 설명하는 격동적인 푸른 바다 위에 떠 있는 스카이미온과 함께 이 과정을 시각적으로 표현합니다.

길버트는 "이 파도는 마치 연못에 자갈 몇 개를 던지는 것처럼 간섭합니다"라고 말했습니다. "당신은 고르지 못하고 격동적인 혼란을 겪게 됩니다. 그러나 그것은 단순한 혼란이 아니라 실제로는 프랙탈입니다. 이제 우리는 스커미온에 의해 생성된 스핀파가 단순한 파동의 혼란이 아니라 고유한 구조를 가지고 있음을 보여주는 실험을 가지고 있습니다. 본질적으로 우리가 '던지는' 돌을 제어함으로써 매우 다른 패턴을 얻을 수 있으며, 그것이 바로 우리가 추구하는 것입니다."

이번 발견은 오크리지 국립연구소(ORNL) 고자속 동위원소 원자로와 국립표준기술연구소(NIST) 중성자 연구 센터의 중성자 산란 실험을 통해 부분적으로 이루어졌습니다. 중성자는 자성을 띠고 물질을 쉽게 통과하므로 스커미온 및 기타 양자 현상과 같은 복잡한 자기 거동을 갖는 물질을 연구하는 데 이상적인 프로브입니다.