Traducido por el equipo de SOTT.net en español

Los ordenadores clásicos utilizan valores binarios (0/1) para funcionar. En cambio, nuestras células cerebrales pueden utilizar más valores para funcionar, lo que las hace más eficientes energéticamente que los ordenadores. Por eso los científicos se interesan por la computación neuromórfica (similar a la del cerebro). Físicos de la Universidad de Groningen han utilizado un óxido complejo para crear elementos comparables a las neuronas y sinapsis del cerebro utilizando espines, una propiedad magnética de los electrones. Sus resultados se publicaron el 18 de mayo en la revista Frontiers in Nanotechnology.
Proposed Device
© Illustration Banerjee group
Esquema de la estructura de dispositivo propuesta para los memristores espintrónicos neuromórficos. La ruta de escritura se realiza entre los terminales a través de la capa superior (línea negra de puntos), la ruta de lectura pasa por la pila del dispositivo (línea roja de puntos). La parte derecha de la figura indica cómo la elección del sustrato dicta si el dispositivo mostrará un comportamiento determinista o probabilístico.
Aunque los ordenadores 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 consume menos energía que los ordenadores. Esto se explica en parte por la forma en que funciona nuestro cerebro: mientras que un ordenador utiliza un sistema binario (con valores 0 ó 1), las células cerebrales pueden proporcionar señales más analógicas con una gama de valores.

Anouk and Mina
© University of Groningen
La primera autora, Anouk Goossens (izquierda), y la segunda autora, Mina Leiviskä.
Láminas finas

El funcionamiento de nuestro cerebro puede simularse en los ordenadores, pero la arquitectura básica sigue basándose en un sistema binario. Por eso los científicos buscan formas de ampliarlo, creando un hardware más parecido al del cerebro, pero que también pueda interactuar con los ordenadores normales. Una idea es crear bits magnéticos que puedan tener estados intermedios", dice Tamalika Banerjee, profesora de espintrónica de materiales funcionales en el Zernike Institute for Advanced Materials, de la Universidad de Groningen. Ella trabaja en espintrónica, que utiliza una propiedad magnética de los electrones llamada "espín" para transportar, manipular y almacenar información.

En este estudio, su estudiante de doctorado Anouk Goossens, primera autora del artículo, creó películas delgadas de un metal ferromagnético (strontium-ruthenate oxide, SRO) cultivado sobre un sustrato de óxido de titanato de estroncio. Las láminas finas resultantes contenían dominios magnéticos perpendiculares al plano de la película. Éstos pueden conmutarse con más eficacia que los dominios magnéticos en el plano", explica Goossens. Adaptando las condiciones de crecimiento, es posible controlar la orientación del cristal en la SRO. Anteriormente se habían creado dominios magnéticos fuera del plano mediante otras técnicas, pero éstas suelen requerir complejas estructuras de capas.

Anisotropía magnética

Los dominios magnéticos pueden conmutarse utilizando una corriente a través de un electrodo de platino situado en la parte superior del SRO. Goossens: "Cuando los dominios magnéticos están orientados perfectamente perpendiculares a la película, esta conmutación 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 se producen valores intermedios cuando sólo una parte de los cristales del dominio ha conmutado.

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", afirma Goossens. La conmutación probabilística se asemeja al funcionamiento de las neuronas, mientras que la conmutación determinista es más parecida a una sinapsis".

Los científicos esperan que en el futuro se pueda crear un hardware informático similar al del cerebro combinando estos diferentes dominios en un dispositivo espintrónico que pueda conectarse a circuitos estándar basados en silicio. Además, la conmutación probabilística también permitiría la computación estocástica, una prometedora tecnología que representa valores continuos mediante flujos de bits aleatorios. Banerjee: "Hemos encontrado una forma de controlar los estados intermedios, no sólo para la memoria sino también para la computación".

Referencia:

A.S. Goossens, M.A.T. Leiviskä and T. Banerjee: Anisotropy and Current Control of Magnetization in SrRuO3/SrTiO3 Heterostructures for Spin-Memristors. Frontiers in Nanotechnology 18 May 2021