I ricercatori sviluppano un materiale che imita il modo in cui il cervello memorizza le informazioni
Prima sinapsi artificiale che riproduce l’apprendimento durante il sonno
I ricercatori dell’Universitat Autònoma de Barcelona hanno sviluppato un materiale magnetico in grado di imitare il modo in cui il cervello immagazzina le informazioni. Il materiale consente di emulare le sinapsi dei neuroni e imitare, per la prima volta, l’apprendimento che avviene durante il sonno profondo.
Il calcolo neuromorfico è un nuovo paradigma informatico in cui il comportamento del cervello viene emulato imitando le principali funzioni sinaptiche dei neuroni. Tra queste funzioni c’è la plasticità neuronale: la capacità di immagazzinare informazioni o dimenticarle a seconda della durata e della ripetizione degli impulsi elettrici che stimolano i neuroni, una plasticità che sarebbe legata all’apprendimento e alla memoria.
Tra i materiali che imitano le sinapsi neuronali, spiccano i materiali memresistivi, i materiali ferroelettrici, i materiali a memoria a cambiamento di fase, gli isolanti topologici e, più recentemente, i materiali magnetoionici. In quest’ultimo, i cambiamenti nelle proprietà magnetiche sono indotti dallo spostamento degli ioni all’interno del materiale causato dall’applicazione di un campo elettrico. In questi materiali è noto come il magnetismo venga modulato quando si applica il campo elettrico, ma l’evoluzione delle proprietà magnetiche quando viene interrotta la tensione (cioè l’evoluzione dopo lo stimolo) è difficile da controllare. Ciò rende complicato emulare alcune funzioni ispirate al cervello, come il mantenimento dell’efficienza dell’apprendimento che avviene anche mentre il cervello è in uno stato di sonno profondo (cioè senza stimolazione esterna).
Questo studio, guidato dai ricercatori del Dipartimento di Fisica UAB Jordi Sort ed Enric Menéndez, in collaborazione con ALBA Synchrotron, l’Istituto Catalano di Nanoscienze e Nanotecnologie (ICN2) e ICMAB, propone un nuovo modo di controllare l’evoluzione della magnetizzazione sia nello stato stimolato e nel post-stimolo.
I ricercatori hanno sviluppato un materiale a base di un sottile strato di mononitruro di cobalto (CoN) dove, applicando un campo elettrico, è possibile controllare l’accumulo di ioni N all’interfaccia tra lo strato e un elettrolita liquido in cui è stato posizionato lo strato . “Il nuovo materiale funziona con il movimento degli ioni controllati dalla tensione elettrica, in un modo analogo al nostro cervello, e a velocità simili a quelle prodotte nei neuroni, dell’ordine dei millisecondi”, spiegano il professore di ricerca dell’ICREA Jordi Sort e Serra Húnter Tenure -traccia Professor Enric Menéndez. “Abbiamo sviluppato una sinapsi artificiale che in futuro potrebbe essere la base di un nuovo paradigma informatico, alternativo a quello utilizzato dai computer attuali”, sottolineano Sort e Menéndez.
Applicando impulsi di tensione, è stato possibile emulare, in modo controllato, processi quali memoria, elaborazione di informazioni, reperimento di informazioni e, per la prima volta, l’aggiornamento controllato di informazioni senza tensione applicata. Questo controllo è stato ottenuto modificando lo spessore degli strati di mononitruro di cobalto (che determina la velocità del movimento degli ioni) e la frequenza degli impulsi. La disposizione del materiale permette di controllare le proprietà magnetoioniche non solo quando viene applicata la tensione ma anche, per la prima volta, quando la tensione viene rimossa. Una volta che lo stimolo di tensione esterno scompare, la magnetizzazione del sistema può essere ridotta o aumentata, a seconda dello spessore del materiale e del protocollo di come è stata precedentemente applicata la tensione.
Questo nuovo effetto apre un’intera gamma di opportunità per nuove funzioni di calcolo neuromorfico. Offre una nuova funzione logica che consente, ad esempio, la possibilità di imitare l’apprendimento neurale che si verifica dopo la stimolazione cerebrale, quando dormiamo profondamente. Questa funzionalità non può essere emulata da nessun altro tipo di materiale neuromorfico esistente.
“Quando lo spessore dello strato di mononitruro di cobalto è inferiore a 50 nanometri e con una tensione applicata a una frequenza superiore a 100 cicli al secondo, siamo riusciti ad emulare una funzione logica aggiuntiva: una volta applicata la tensione, il dispositivo può essere programmato per imparare o dimenticare, senza bisogno di alcun ulteriore apporto di energia, imitando le funzioni sinaptiche che hanno luogo nel cervello durante il sonno profondo, quando l’elaborazione delle informazioni può continuare senza applicare alcun segnale esterno”, evidenziano Jordi Sort ed Enric Menendez.
La ricerca, pubblicata su “Materials Horizons”, è stata guidata dai ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’UAB Jordi Sort, anche ricercatore presso l’Istituto catalano di ricerca e studi avanzati (ICREA), ed Enric Menéndez (Serra Húnter Tenure-track Professor ). e con la partecipazione di Zhengwei Tan, Julius de Rojas e Sofia Martins, ricercatori del Dipartimento di Fisica UAB; Aitor Lopeandia, del Dipartimento di Fisica dell’UAB e dell’Istituto Catalano di Nanoscienze e Nanotecnologie (ICN2); Alberto Quintana, dell’Istituto di Scienza dei Materiali di Barcellona (ICMAB-CSIC); Javier Herrero-Martín, del sincrotrone ALBA; José L. Costa-Krämer, dell’Istituto di Micro e Nanotecnologia (IMN-CNM-CSIC); e ricercatori del CNR-SPIN in Italia, e di IMEC e Quantum Solid State Physics (KU Leuven) in Belgio.
TITOLO DELL’ARTICOLO
Controllo della tensione stimolata e post-stimolata dipendente dalla frequenza del magnetismo nei nitruri di metalli di transizione: verso la magnetoionica ispirata al cervello
