Discovery がニューロモーフィック コンピューティングに磁気スピンを加える

Jul 22, 2023

2023 年 8 月 28 日

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テネシー大学ノックスビル校ランドール・ブラウン著

「フラクタル」という言葉は、コンピューター アニメーションで無限に螺旋を描くサイケデリックな色のイメージを思い起こさせるかもしれません。 この現象の目に見えないが強力で有用なバージョンが、動的磁気フラクタル ネットワークの領域に存在します。

材料科学工学部のダスティン・ギルバート助教授らは、これらのネットワークの挙動に関する新たな発見、つまりニューロモーフィック・コンピューティング能力を進歩させる可能性のある観察を発表した。

彼らの研究は、Advanced Materials 誌 2023 年 8 月 17 日号のカバーストーリーである記事「スキルミオン励起スピン波フラクタル ネットワーク」で詳しく説明されています。

「冷蔵庫の磁石など、ほとんどの磁性材料は、磁気スピンがすべて平行に配向するドメインだけで構成されています」とギルバート氏は言う。 「ほぼ15年前、ドイツの研究グループが、ナノスケールの磁気投げ縄のような、スピンがループを作る特殊な磁石を発見しました。これらはスキルミオンと呼ばれています。」

伝説的な素粒子物理学者トニー・スキルムにちなんで名付けられたスキルミオンの磁気渦は、自明ではないトポロジーを与えます。 このトポロジーの結果、スキルミオンは粒子のような特性を持ちます。それらは作成したり破壊したりするのが難しく、移動したり、お互いに跳ね返ることさえできます。 スキルミオンにはダイナミック モードもあり、小刻みに動いたり、震えたり、伸びたり、旋回したり、呼吸したりすることができます。

スキルミオンは「ジャンプしたりジャイブしたり」しながら、非常に狭い波長の磁気スピン波を生成しています。 これらの波の相互作用により、予期せぬフラクタル構造が形成されます。

「人が水のプールで踊るのと同じように、外側に波打つ波を生成します」とギルバート氏は言いました。 「多くの人が踊っていると、たくさんの波ができます。通常、それは荒れ狂う混沌とした海のように見えます。私たちはこれらの波を測定し、それらが明確に定義された構造を持ち、集合的に 1 秒間に何兆回も変化するフラクタルを形成していることを示しました。」

フラクタルは本質的に「カオス効果」に結びついており、初期条件の小さな変化がフラクタル ネットワークの大きな変化につながるため、重要かつ興味深いものです。

「私たちがこれについて考えたいのは、スキルミオン格子があり、それをスピン波で照射した場合、波がこのフラクタル生成構造を通過する方法は、その構造に非常に密接に依存することになるということです」とギルバート氏は述べた。 。 「つまり、個々のスキルミオンを書くことができれば、入ってくるスピン波を効果的に処理して裏側の何かに変換することができ、プログラム可能です。これはニューロモーフィックなアーキテクチャです。」

Advanced Materials の表紙イラストは、このプロセスを視覚的に表現しており、スピン波フラクタルによって生成されるカオス構造を示す、乱流の青い海の上にスキルミオンが浮かんでいます。

「それらの波は、まるで一掴みの小石を池に投げ込んだかのように干渉します」とギルバート氏は言う。 「途切れ途切れの乱流の混乱が生じます。しかし、それは単なる混乱ではなく、実際にはフラクタルです。私たちは現在、スキルミオンによって生成されるスピン波が単なる波の混乱ではなく、固有の構造を持っていることを示す実験を行っています。」本質的に、私たちが「投げる」石を制御することによって、非常に異なるパターンが得られ、それが私たちが目指していることです。」

この発見の一部は、オークリッジ国立研究所（ORNL）の高束同位体炉と国立標準技術研究所（NIST）の中性子研究センターで行われた中性子散乱実験によって行われた。 中性子は磁性があり、物質を容易に通過するため、スキルミオンやその他の量子現象など、複雑な磁気的挙動を持つ物質を研究するための理想的なプローブとなります。