Computer krijgt 'neuronen' en 'synapsen' dankzij nieuw materiaal

Gewone computers rekenen met binaire waarden (0/1). Maar ons brein kan werken met veel meer waarden, waardoor het minder energie gebruikt dan een computer. Daarom zijn wetenschappers geïnteresseerd in neuromorfe (lijkend op het brein) computers. Natuurkundigen van de RUG hebben een complex oxide gebruikt om elementen te maken die zich gedragen als de neuronen (zenuwcellen) en de verbindende synapsen in de hersenen. Daarbij gebruikten zij een magnetische eigenschap van elektronen, de spin. Zij publiceerden hun resultaten op 18 mei in het tijdschrift Frontiers in Nanotechnology.

Computers zijn heel goed in rekenen, dat doen ze veel sneller dan mensen. Maar onze hersenen zijn weer beter in taken zoals gezichtsherkenning. Bovendien gebruikt ons brein minder energie dan een computer. Dat is deels te verklaren door de werking: waar computers een binair systeem gebruiken (met de waarden 0 en 1) kunnen hersencellen analoge signalen verwerken die een hele reeks waarden kunnen hebben.

Dunne films

De werking van ons brein is te simuleren met een computer, maar de bouw daarvan blijft gebaseerd op het binaire systeem. Daarom proberen onderzoekers hardware te ontwikkelen die meer hersen-achtig is, maar wel aansluit bij gewone computers. ‘Een idee is om magnetische bits te maken die waarden tussen 0 en 1 kunnen aannemen’, zegt Tamalika Banerjee, hoogleraar Spintronica van Functionele Materialen binnen het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Zij werkt aan spintronica, waarbij informatie wordt getransporteerd, verwerkt en opgeslagen via een magnetische eigenschap van elektronen, de spin.

Voor dit nieuwe onderzoek heeft haar promovenda Anouk Goossens een dunne film gemaakt van een ferromagnetisch metaal (strontium ruthenaat oxide, SRO) die groeit op een substraat van strontium titanaat oxide. De dunne film bevat magnetische domeinen die loodrecht op het vlak van de film staan. ‘Deze domeinen kun je efficiënter omschakelen dan wanneer ze in het vlak van de film liggen’, legt Goossens uit. Door de manier waarop de film op het substraat groeit aan te passen is het mogelijk de oriëntatie van de SRO kristallen te controleren. Er zijn wel eerder magnetische domeinen gemaakt die loodrecht op het filmoppervlak staan, maar dat gebeurde met technieken waarbij complexe gelaagde structuren nodig waren.

Magnetische anisotropie

De magnetische domeinen zijn om te schakelen met behulp van een stroompje dat loopt door een platina elektroden bovenop het SRO. Goossens: ‘Wanneer een magnetisch domein perfect loodrecht op het vlak van de film staat, gebeurt dat schakelen deterministisch: het volledige domein schakelt in één keer om.’ Maar als de domeinen onder een kleine hoek staan, is de reactie probabilistisch: niet alle domeinen zijn gelijk en er kunnen intermediaire waarden ontstaan wanneer maar een deel van de kristallen omschakelt.

Door verschillende substraten te gebruiken voor het groeien van de SRO film is het mogelijk de magnetische anisotropie (waarbij de magnetische eigenschappen niet in iedere richting gelijk zijn) te controleren. Op die manier zijn verschillende spintronische schakelingen te maken. ‘Die magnetische anisotropie is precies wat we willen hebben’, zegt Goossens. ‘Probabilistisch schakelen lijkt op de werking van neuronen, terwijl deterministisch schakelen meer lijkt op een synaps.’

De onderzoekers verwachten dat het in de toekomst mogelijk zal zijn om hersen-achtige computer hardware te maken met behulp van verschillende soorten schakelingen in een spintronisch systeem, dat weer is gekoppeld aan een gewone computer. Bovendien is probabilistisch schakelen ook te gebruiken voor stochastische bewerkingen, een veelbelovende nieuwe techniek waarin continue waarden worden weergegeven door een stroom van random bits. Banerjee: ‘We hebben een manier gevonden om tussenliggende waarden te creëren, niet alleen in het geheugen maar ook voor het doen van bewerkingen.’

Referentie: 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