Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada por físicos da Universidade de Viena, alcançou um avanço no processamento de dados empregando uma abordagem de “design inverso”. Este método permite que os algoritmos configurem um sistema com base nas funções desejadas, ignorando o design manual e simulações complexas. O resultado é um dispositivo “universal” inteligente que usa ondas de spin (“Magnons”) para executar várias tarefas de processamento de dados com eficiência energética excepcional. Publicado na Nature Electronicsessa inovação marca um avanço transformador na computação não convencional, com potencial significativo para sistemas de telecomunicações, computação e neuromórficos de última geração.
A eletrônica moderna enfrenta desafios críticos, incluindo alto consumo de energia e crescente complexidade do projeto. Nesse contexto, a Magnonics – o uso de Magnons ou ondas de spin quantizadas em materiais magnéticos – oferece uma alternativa promissora. Os Magnons permitem o transporte e processamento eficientes de dados com perda mínima de energia. Com a crescente demanda por soluções inovadoras de computação, variando de 5G e as próximas redes 6G a computação neuromórfica (imitar funções do cérebro), a Magnonics representa uma mudança de paradigma que redefine como os dispositivos são projetados e operados. O desenvolvimento de um processador magnônico inovador que permite a computação altamente adaptativa e com eficiência energética foi um desafio que Andrii Chumak do grupo de nanomagnetismo e magnônica da Universidade de Viena e seus colaboradores se conheceram com sucesso.
Sucesso através de tentativa e erro
Noura Zenbaa, primeira autora do estudo, juntamente com seus colegas em torno de Dieter Süss, física de materiais funcionais da Universidade de Viena, construiu uma configuração experimental única usando 49 loops de corrente controlados individualmente em um filme Yttrium-Iron-Garnet (YIG). Esses loops criaram campos magnéticos ajustáveis para controlar e manipular os magons. Usando uma abordagem de “design inverso”, a equipe permitiu que os algoritmos determinem as configurações ideais para alcançar as funcionalidades desejadas do dispositivo, simplificando significativamente o processo de design. Após mais de dois anos de desenvolvimento e teste, a equipe superou muitos desafios. “Foi uma jornada difícil, mas ver tudo se unir com nossa primeira medição bem -sucedida foi incrivelmente gratificante”, disse Noura Zenbaa.
Criando tecnologias mais verdes
O protótipo da equipe demonstrou duas funções principais: atuando como um filtro de entalhe (um componente que bloqueia frequências específicas) e como um desmultiplexador (um dispositivo que direciona sinais para diferentes saídas). Esses recursos são cruciais para comunicações sem fio de próxima geração, como 5G e 6G. Diferentemente dos sistemas tradicionais, que requerem componentes personalizados, esse hardware versátil pode ser adaptado para várias aplicações, reduzindo a complexidade, os custos e o consumo de energia. Pesquisas em andamento mostram que o dispositivo também pode executar todas as operações lógicas em dados binários e, quando dimensionados, pode rivalizar com os computadores tradicionais. A equipe planeja integrar essa tecnologia à computação neuromórfica e outros sistemas avançados. Embora o protótipo atual seja grande e intensivo em energia, encolhendo-o para menos de 100 nanômetros pode desbloquear eficiência excepcional, abrindo caminho para o processamento de dados universais e de baixa energia e criar soluções para tecnologias computacionais mais ecológicas. “Este” ainda, nossas medidas iniciais confirmaram sua viabilidade – esse conceito funciona. Nossos resultados destacam como a inteligência artificial está transformando o campo da física, assim como o ChatGPT está reformulando a escrita e a educação de texto “.
Noura Zenbaa, Claas de Albert, Majcen, Michael Kerber, Rostyslav O. Para o dispositivo de design magnético universal de design inverso.
Dois 10.1038/s41928-024-01333-7
Fotos
Fig. 1: Configuração experimental de design inverso que consiste no próprio dispositivo, montado entre os sapatos de pólo de um eletroímã, analisador de rede vetorial (VNA), as cinco fontes de corrente multicanal, outros componentes e um PC para executar os algoritmos necessários para Resolva o problema inverso. C: Noura Zenbaa, Nanomag, U of Viena Fig. 2: Configuração experimental de design inverso. Componente 1 – Dispositivo de design inverso universal; Componente 2 – Eletroímã para aplicar um campo magnético; Componente 3 – teslameter para medir o campo; Componente 4 – Analisador de rede vetorial (VNA) usado como fonte de microondas e detector; Componente 6 – Fontes de corrente multicanal; e Componente 7 – PC para automatizar o processo de configuração e otimização. C: Noura Zenbaa, Nanomag, U of Viena Fig. 3: Os três primeiros autores do artigo – Noura Zenbaa (à direita), Claas Abert (à esquerda) e Fabian Majcen (no meio) no momento em que o O dispositivo magnônico universal de design inverso foi ativado para resolver seu primeiro problema. C: Andrii Chumak, Nanomag, U of Viena Fig. 4: A configuração experimental. O dispositivo de design inverso reconfigurável mostrando a matriz de loop de 7 × 7 ômega colocada em um filme magnético. Ele mostra o cenário local de campo magnético no filme, exibido em vermelho (topo de filme) e azul (fundo do filme), gerado pela corrente aplicada aos loops para ambas as polaridades atuais. A configuração inclui um analisador de rede vetorial (VNA) em combinação com um divisor de potência e dois interruptores. C: Noura Zenbaa, Nanomag, U de Viena
