Sistemas magnéticos reproducen artificialmente las funciones de aprendizaje y olvido

Utilizando finas capas de óxido de cobalto, investigadores han logrado emular las sinapsis biológicas y las capacidades monomórficas del aprendizaje.

Ahora científicos han explorado cómo emular la sinapsis de forma artificial mediante nuevos dispositivos fabricados con materiales avanzados, como el óxido de cobalto. La novedosa propuesta de los investigadores fue utilizar la magneto-iónica, el control no volátil de las propiedades magnéticas de los materiales mediante la migración de iones impulsada por el voltaje, que disminuye drásticamente el consumo de energía y hace que el almacenamiento de datos sea energéticamente eficiente. La combinación de las memorias magnéticas con la magneto-iónica energéticamente eficiente podría ser una posible vía para reducir las energías operacionales para la próxima generación de medios de almacenamiento de datos.

Utilizando finas capas de óxido de cobalto, investigadores han logrado emular las sinapsis biológicas y las capacidades monomórficas del aprendizaje. El experimento, supone un nuevo paso hacia los ordenadores inspirados en el cerebro.

Las arquitecturas computacionales actuales están resultando ser insuficientes. Las dificultades para disminuir el tamaño de los transistores, el gran consumo de energía y las limitadas velocidades de operación hacen de la computación neuromórfica una alternativa prometedora. La llegada del Big Data, nos lleva a dar un paso más allá.

Se trata de un nuevo paradigma de computación inspirado en el cerebro que reproduce la actividad de las sinapsis biológicas utilizando redes neuronales artificiales. Sus dispositivos funcionan como un sistema de interruptores, de modo que la posición ON corresponde a la retención de información o ‘aprendizaje’, mientras que la posición OFF corresponde a la eliminación de información u ‘olvido’.

Ahora científicos de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB), el Institut Català de la Nanociència i la Nanotecnología (ICN2), el Instituto de Micro y Nanotecnología (IMM-CNM-CSIC), el centro italiano CNR-SPIN y el sincrotrón ALBA han explorado cómo emular la sinapsis de forma artificial mediante nuevos dispositivos fabricados con materiales avanzados, como el óxido de cobalto. Los resultados de este estudio han sido publicados en la revista Nanoscale.

El estudio, cuyos resultados son un nuevo paso hacia los ordenadores inspirados en el cerebro, ha sido liderado por Enric Menéndez (profesor Serra Húnter) y por Jordi Sort (investigador ICREA), ambos del Departamento de Física de la UAB, y forma parte de la tesis doctoral de Sofia Martins.

La novedosa propuesta de los investigadores fue utilizar la magneto-iónica, el control no volátil de las propiedades magnéticas de los materiales mediante la migración de iones impulsada por el voltaje, que disminuye drásticamente el consumo de energía y hace que el almacenamiento de datos sea energéticamente eficiente. Todo esto debido a que hasta ahora, la mayoría de sistemas utilizados para este fin estaban controlados en última instancia mediante corrientes eléctricas, lo que implicaba una importante pérdida de energía por disipación de calor.

Aunque la disipación de calor disminuye con los efectos de la migración de iones, el movimiento magneto-iónico del oxígeno a temperatura ambiente suele ser lento para las aplicaciones industriales, ya que implica varios segundos o incluso minutos para cambiar el estado magnético.

Para resolver este problema, el equipo investigó el uso de materiales diana cuya estructura cristalina contuviese ya los iones a transportar. Estas dianas magneto-iónicas pueden pasar de forma totalmente reversible de un estado no ferromagnético (interruptor apagado) a uno ferromagnético (interruptor encendido) y viceversa, simplemente por el movimiento del oxígeno impulsado por el voltaje desde el material diana hacia un reservorio (encendido) y viceversa (apagado).

Dadas sus estructuras cristalinas, los óxidos de cobalto fueron los materiales escogidos para la fabricación de las capas, cuyos grosores oscilaban entre los 5 nanómetros y los 230 nanómetros. Se investigó el papel del grosor de las capas en el comportamiento magneto-iónico resultante, lo que reveló que cuanto más finas son las capas, más rápidamente se alcanza la generación de magnetización.

“Demostramos que se pueden conseguir transiciones ON-OFF de subsegundos en películas de óxido de cobalto paramagnéticas con electrolitos, reduciendo drásticamente el espesor de la película de más de 200 nm a 5 nm”, destacan los autores en su estudio.

Para caracterizar la composición y el estado de oxidación de las capas de óxido de cobalto, que resultaron ser diferentes para las capas más finas y las más gruesas, se realizaron espectros de absorción de rayos X (XAS) en una de las línea de luz del sincrotrón ALBA (Barcelona). Estos hallazgos fueron cruciales para entender las diferencias en el movimiento magnetoiónico del oxígeno entre las capas.

Se indujeron efectos relacionados con las capacidades neuromórficas de aprendizaje y los resultados aportaron pruebas de que los sistemas magneto-iónicos pueden emular las funcionalidades de "aprendizaje" y "olvido

Además de la computación neuromórfica, otras aplicaciones prácticas como las memorias magnéticas y la espintrónica se beneficiarán de los resultados de este estudio.

La combinación de las memorias magnéticas con la magneto-iónica energéticamente eficiente podría ser una posible vía para reducir las energías operacionales para la próxima generación de medios de almacenamiento de datos. Asimismo, los mecanismos magneto-iónicos para controlar las capas antiferromagnéticas son actualmente unos candidatos muy prometedores para el desarrollo de dispositivos espintrónicos.

Referencia: 

Sofia M et al. Dynamic electric-field-induced magnetic effects in cobalt oxide thin films: towards magneto-ionic synapses. Nanoscale 2022. https://doi.org/10.1039/D1NR06210G

 

Doctor Fisión

Doctor Fision

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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