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Pesquisadores da Universitat Autònoma de Barcelona desenvolveram um material magnético capaz de imitar a forma como o cérebro armazena informações. O material permite emular as sinapses dos neurônios e imitar, pela primeira vez, o aprendizado que ocorre durante o sono profundo.
A computação neuromórfica é um novo paradigma computacional no qual o comportamento do cérebro é emulado imitando as principais funções sinápticas dos neurônios. Entre essas funções está a plasticidade neuronal: a capacidade de armazenar informações ou esquecê-las dependendo da duração e repetição dos impulsos elétricos que estimulam os neurônios, plasticidade que estaria ligada ao aprendizado e à memória.
Dentre os materiais que mimetizam sinapses neuronais, destacam-se os materiais memresistivos, ferroelétricos, materiais de memória de mudança de fase, isolantes topológicos e, mais recentemente, materiais magneto-iônicos. Neste último, as mudanças nas propriedades magnéticas são induzidas pelo deslocamento de íons dentro do material causado pela aplicação de um campo elétrico. Nestes materiais é bem conhecido como o magnetismo é modulado ao aplicar o campo elétrico, mas a evolução das propriedades magnéticas quando a tensão é interrompida (ou seja, a evolução após o estímulo) é difícil de controlar. Isso torna complicado emular algumas funções inspiradas no cérebro, como manter a eficiência do aprendizado que ocorre mesmo enquanto o cérebro está em estado de sono profundo (ou seja, sem estimulação externa).
Este estudo, liderado por pesquisadores do Departamento de Física da UAB Jordi Sort e Enric Menéndez, em colaboração com a ALBA Synchrotron, o Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2) e o ICMAB, propõe uma nova maneira de controlar a evolução da magnetização tanto nos estados estimulado e pós-estímulo.
Os pesquisadores desenvolveram um material baseado em uma fina camada de mononitreto de cobalto (CoN) onde, por meio da aplicação de um campo elétrico, o acúmulo de íons N na interface entre a camada e um eletrólito líquido no qual a camada foi colocada pode ser controlado . “O novo material trabalha com o movimento de íons controlados por tensão elétrica, de forma análoga ao nosso cérebro, e em velocidades semelhantes às produzidas nos neurônios, da ordem de milissegundos”, explica Jordi Sort e pesquisador do ICREA. Serra Hunter Professor efetivo Enric Menéndez. “Desenvolvemos uma sinapse artificial que no futuro pode ser a base de um novo paradigma computacional, alternativo ao usado pelos computadores atuais”, destacam Sort e Menéndez.
Aplicando pulsos de tensão, foi possível emular, de forma controlada, processos como memória, processamento de informação, recuperação de informação e, pela primeira vez, atualização controlada de informação sem tensão aplicada. Esse controle foi obtido modificando a espessura das camadas de mononitreto de cobalto (que determina a velocidade do movimento dos íons) e a frequência dos pulsos. A disposição do material permite que as propriedades magnetoiônicas sejam controladas não apenas quando a tensão é aplicada, mas também, pela primeira vez, quando a tensão é removida. Uma vez que o estímulo de tensão externa desaparece, a magnetização do sistema pode ser reduzida ou aumentada, dependendo da espessura do material e do protocolo como a tensão foi aplicada anteriormente.
Este novo efeito abre toda uma gama de oportunidades para novas funções de computação neuromórfica. Oferece uma nova função lógica que permite, por exemplo, a possibilidade de imitar o aprendizado neural que ocorre após a estimulação cerebral, quando dormimos profundamente. Esta funcionalidade não pode ser emulada por nenhum outro tipo de material neuromórfico existente.
“Quando a espessura da camada de mononitreto de cobalto é inferior a 50 nanômetros e com uma tensão aplicada a uma frequência superior a 100 ciclos por segundo, conseguimos emular uma função lógica adicional: uma vez que a tensão é aplicada, o dispositivo pode ser programado para aprender ou esquecer, sem a necessidade de qualquer aporte adicional de energia, imitando as funções sinápticas que ocorrem no cérebro durante o sono profundo, quando o processamento da informação pode continuar sem a aplicação de nenhum sinal externo”, destacam Jordi Sort e Enric Menendez.
A pesquisa, publicada em Horizontes de Materiais, foi liderado por pesquisadores do Departamento de Física da UAB Jordi Sort, também pesquisador do Instituto Catalão de Pesquisas e Estudos Avançados (ICREA), e Enric Menéndez (Professor Titular Serra Húnter). e com a participação de Zhengwei Tan, Julius de Rojas e Sofia Martins, pesquisadores do Departamento de Física da UAB; Aitor Lopeandia, do Departamento de Física da UAB e do Instituto Catalão de Nanociência e Nanotecnologia (ICN2); Alberto Quintana, do Instituto de Ciência dos Materiais de Barcelona (ICMAB-CSIC); Javier Herrero-Martín, do Síncrotron da ALBA; José L. Costa-Krämer, do Instituto de Micro e Nanotecnologia (IMN-CNM-CSIC); e pesquisadores do CNR-SPIN na Itália, e do IMEC e Quantum Solid State Physics (KU Leuven) na Bélgica.
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