Även spinntroniska neuroner sjunger unisont

Tidigare i år har forskargruppen lyckats med att synkronisera en kedja av fem oscillerande magnetiska nano-kontakter uppställda på rad. En av nano-kontakterna hade då rollen som dirigent och styrde den ton som de övriga nano-kontakterna synkroniserade mot.

Detta synkroniserade tillstånd kan bäst beskrivas som riktat eller drivet eftersom varje nano-kontakt i kedjan bara lyssnar till sin närmaste granne (åt dirigentens håll) och justerar sin egen frekvens i enlighet med grannens. Samspelet är riktat på samma sätt mellan varje granne och kedjan kan därmed göras mycket lång utan att oscillatorerna sjunger falskt.

Sjunger unisont även utan dirigent
Den här gången har samma forskargrupp kunnat visa synkronisering av så många som nio nanosignaler i en ny typ av oscillator där nanokontakterna ersatts av smala nano-passager i en magnetisk film. I detta system finns inte längre någon dirigent. Istället är det en platt organisationen och varje signal lyssnar till båda sina grannar. Som en följd av detta beslutas den slutgiltiga signalen genom en kompromiss mellan alla de ursprungliga enskilda frekvenserna. Det synkroniserade tillståndet kan alltså bäst beskrivas som både ömsesidigt och dubbelriktat. Det innebär att informationen nu överförs i båda riktningarna och en störning på någon plats längs oscillatorns kedja kan leda till en justering av tonen i hela kören.

Genom att använda sig av den nyligen upptäckta spin-Hall-effekten, inte bara för att driva varje oscillator, utan också för att förbättra kopplingen mellan varje oscillator, kunde forskarna också synkronisera två oscillatorer separerade med upp till 4 mikrometer.

− Oscillatorn är bara 100 nanometer bred. Synkronisering över fyra mikrometer motsvarar en rad av nio sångare där varje sångare står cirka 80 meter från sin närmaste granne och fortfarande är alla sångare i samklang. Synkroniseringen är därför mycket kraftfull, säger Ahmad Awad, forskare vid institutionen för fysik på Göteborgs universitet och försteförfattare till studien.

Resultaten viktiga för framtida forskning
Forskarna anser att båda typer av oscillatorer som nämnts ovan kan spela en viktig roll i framtida oscillerande nätverk för neuromorfiska beräkningar. Det gäller dock att försäkra sig om att in- och utgångar från nätverket är korrekta och att informationen färdas i rätt riktning så att inga störningar sker. Men inne i nätverket, vill forskarna använda sig av parallellitet och det kollektiva svaret hos samtliga oscillatorer. Detta kräver därför tvåvägskommunikation och ömsesidig synkronisering inom själva nätet.

− Våra demonstrationer av både driven och ömsesidig synkronisering i två olika sorters magnetiska nano-oscillatorer är egentligen bara det första steget. Tillförlitligheten i våra resultat ger oss nu frihet att utforska oscillatornätverk av alla storlekar med hjälp av ett brett spektrum av olika layouter där vi enbart endast begränsas av fantasin. Lägg därtill potentialen för neuromorfiska datorer så kan man förstå varför vi tycker det här är så spännande, säger Johan Åkerman, professor vid institutionen för fysik, Göteborgs universitet och den ansvarige forskaren bakom resultaten.

Läs mer: Long-range mutual synchronization of spin Hall nano-oscillators, Nature Physics

Det tidigare arbetet med driven synkronisering publicerades i Nature Nanotechnology 11, 280 (2016).

Kontakt:
Johan Åkerman, professor vid Institutionen för fysik, Göteborgs universitet
johan.akerman@physics.gu.se, 031-786 9147, 0766-22 91 47