Voor het eerst is inverse design gebruikt om specifieke functionaliteiten te engineeren in een universeel spin-wave-gebaseerd apparaat. Het werd gecreëerd door Andri Chumak en collega's van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk, die hopen dat hun magnetische apparaat de weg vrijmaakt voor aanzienlijke verbeteringen in de energie-efficiëntie van gegevensverwerkingstechnieken.
Inverse design is een snelgroeiende techniek voor het ontwikkelen van nieuwe materialen en apparaten die gespecialiseerd zijn voor zeer specifieke toepassingen. Vanuit een gewenste functionaliteit werken inverse-designalgoritmen terug om het beste systeem of de beste structuur te vinden om die functionaliteit te bereiken.
"Inverse design heeft veel potentieel, omdat we alleen een zeer herconfigureerbaar medium hoeven te creëren en het de controle over een computer hoeven te geven", legt Chumak uit. "Het zal algoritmes gebruiken om alle functionaliteit te krijgen die we willen met hetzelfde apparaat."
Een gebied waar inverse design nuttig zou kunnen zijn, is het creëren van systemen voor het coderen en verwerken van data met behulp van gekwantiseerde spingolven, magnonen genaamd. Deze quasideeltjes zijn collectieve excitaties die zich voortplanten in magnetische materialen. Informatie kan worden gecodeerd in de amplitude, fase en frequentie van magnonen, die interacteren met radiofrequentie (RF) signalen.
Collectieve rotatie
Een magnon plant zich voort door de collectieve rotatie van stationaire spins (geen deeltjes bewegen), dus het biedt een zeer energie-efficiënte manier om informatie over te brengen en te verwerken. Tot nu toe is dergelijke magnonica echter beperkt door bestaande benaderingen van het ontwerp van RF-apparaten.
“Meestal gebruiken we direct design – waarbij we weten hoe de spingolven zich in elk onderdeel gedragen, en de onderdelen samenvoegen om een werkend apparaat te krijgen,” legt Chumak uit. “Maar dit duurt soms jaren, en werkt alleen voor één functionaliteit.”
Onlangs hebben twee theoretische studies onderzocht hoe inverse design gebruikt kan worden om magnonische apparaten te creëren. Deze namen de fysica van magnetische materialen als uitgangspunt om een neuraal netwerkapparaat te ontwerpen.
Voortbouwend op deze resultaten ging Chumaks team aan de slag om te laten zien hoe die aanpak in het laboratorium gerealiseerd kon worden met behulp van een 7x7-opstelling van onafhankelijk aangestuurde stroomlussen, die elk een klein magnetisch veld genereren.
Dunne magnetische film
Het team bevestigde de array aan een dunne magnetische film van yttrium-ijzer-granaat. Terwijl RF-spingolven zich door de film voortplantten, veroorzaakten verschillen in de sterkte van de magnetische velden die door de lussen werden gegenereerd, een verscheidenheid aan effecten: waaronder faseverschuivingen, interferentie en verstrooiing. Dit creëerde op zijn beurt complexe patronen die in realtime konden worden afgestemd door de stroom in elke afzonderlijke lus aan te passen.
Om deze aanpassingen te maken, ontwikkelden de onderzoekers een paar feedback-loopalgoritmen. Deze namen een gewenste functionaliteit als invoer en pasten iteratief de stroom in elke lus aan om de spingolfvoortplanting in de film te optimaliseren voor specifieke taken.
Magnontransistoren kunnen spintronica een impuls geven
Deze aanpak stelde hen in staat om twee specifieke signaalverwerkingsfuncties in hun apparaat te ontwerpen. Dit zijn een notchfilter, die een specifiek bereik van frequenties blokkeert terwijl andere frequenties worden doorgelaten; en een demultiplexer, die een gecombineerd signaal opsplitst in zijn afzonderlijke componentsignalen. "Deze RF-toepassingen kunnen potentieel worden gebruikt voor toepassingen zoals mobiele communicatie, wifi en gps", zegt Chumak.
Hoewel het apparaat qua functionaliteit succesvol is, heeft het verschillende nadelen, legt Chumak uit. “De demonstrator is groot en verbruikt veel energie, maar het was belangrijk om te begrijpen of dit idee werkt of niet. En we hebben bewezen dat het werkte.”
Door hun toekomstige onderzoek zal het team zich nu richten op het verminderen van deze energievereisten, en zal het ook onderzoeken hoe invers ontwerp universeler kan worden toegepast – wat wellicht de weg vrijmaakt voor ultra-efficiënte magnetische logische poorten.
Het onderzoek is beschreven in Natuurelektronica.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/inverse-design-configures-magnon-based-signal-processor/
