新研究表明：磁孤子有利於腦啟發計算系統的開發！

導讀

近日，一個物理學家團隊的研究表明，磁孤子與神經形態計算（neuromorphic computing ）的開發存在關聯。

背景

1834年，英國科學家約翰·斯科特·羅素在勘察運河河道時，看到一隻迅速前進中的船突然停下來時，船頭形成了一個孤立的水波。水波的形狀滾圓、光滑、輪廓分明。隨後，這個孤立的水波迅速離開船頭，以每小時約14～15千米的速度前進。水波在前進過程中，保持原有形狀，穩定地傳播著。

（圖片來源：M. J. Ablowitz 和 D. E. Baldwin ）

後來，羅素將這種奇特的波包稱為孤立波，也稱為孤子（Soliton）。它是一種特殊形式的超短脈衝，或者說是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈衝狀行波。隨後，科學家又發現了孤立波不僅存在於水中，還存在於聲、光、電、磁等多個領域。

之前，筆者介紹過德國和瑞士的科研小組，採用晶元上的氮化硅微諧振器產生光孤子，並製造出光學頻率梳。通過兩個疊加的頻率梳，能在179個波長通道上，進行大規模並行數據傳輸，數據速率超過50Tbps，傳輸距離達75千米。

(圖片來源: J. N. Kemal/ P.
Marin-Palomo/ KIT)

創新

今天，我要給大家介紹一項有關磁孤子的研究成果。近日，一個物理學家團隊的研究表明，磁孤子與神經形態計算（neuromorphic computing ）的開發存在關聯。神經形態計算，是一種旨在模仿大腦功能的人工智慧系統。

紐約大學物理學家、研究團隊領頭人 Andrew Kent 解釋道：「隨著我們繼續開拓新型計算樣式，理解它們構建模塊的特性和前途很有必要。我們的研究成果展示了，這些組件其中的一個是如何運作的，下一步有望幫助實現它們的潛能。」

這項研究發表於《科學報告（Scientific Reports）》雜誌。研究團隊也包括來自西班牙巴塞羅那大學（University of Barcelona）以及西班牙材料科學研究所的科學家們。研究的領導作者是紐約大學物理系研究生 Jinting Hang 以及目前工作於德國聯邦物理技術研究院（PTB）的紐約大學博士後研究員 Christian Hahn。

技術

Kent 和他的同事們拍之前攝到了磁孤子的圖像。在這之前，磁孤子是一種未探測到的磁波，1970年代曾有理論表明它會發生於磁體中。它們有望用於磁電路中的數據傳輸，比現有的涉及移動電荷的方法要更加節能。

在《科學報告》雜誌上的論文中，科學家們測試了一種特殊的孤子：動態的磁性液滴。組成這種孤子的磁波會迅速振蕩。

(圖片來源: iStock/peter bocklandt)

在他們的研究中，研究人員發現這些液滴孤子的一些功能，特別是，孤子能夠擴散多遠或多久而不消散，以及它們需要多久才能形成。

磁滴環繞著磁性薄層的電氣接觸處運動。接觸邊界由藍色圓圈表示。相比於液滴完成軌道運動的時間，液滴中的磁矩振蕩得非常快。像水滴會蒸發消失一樣，當電流不再維持時，磁滴也會消失。

(圖片來源: 參考資料【2】)

價值

磁孤子有可能作為一種在消費電子器件中傳輸數據的節能方案。Kent 表示：「這種孤子對於腦啟發計算系統的開發來說很重要。例如，它們可以作為具有存儲功能的振蕩器，從而模仿神經元的一些特性。」

關鍵字

孤子、類腦計算、存儲、磁

參考資料

【1】https://www.nyu.edu/about/news-publications/news/2018/may/physicists-uncover-properties-of-a-magnetic-soliton-of-interest-.html

【2】Jinting Hang, Christian Hahn, Nahuel Statuto, Ferran Macià, Andrew D. Kent. Generation and annihilation time of magnetic droplet solitons. Scientific Reports, 2018; 8 (1) DOI: 10.1038/s41598-018-25134-z

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