“分形”这个词可能会在电脑动画中激发出迷幻色彩螺旋式上升的图像。在动态磁分形网络领域中存在着这种现象的一个看不见的、但强大而有用的版本。
材料科学与工程系的助理教授达斯汀·吉尔伯特和他的同事发表了关于这些网络行为的新发现，这些观察结果可能会提高神经形态计算能力。
他们的研究在2023年8月17日出版的《先进材料》杂志的封面故事《skyrmion - inspired Spin-Wave Fractal Networks》中有详细介绍。
吉尔伯特说:“大多数磁性材料——就像冰箱里的磁铁一样——只是由磁自旋方向平行的畴组成。”大约15年前，一个德国研究小组发现了这些特殊的磁铁，它们的自旋形成了一个环，就像一个纳米级的磁性套索。这些被称为skyrmions。”
以传奇粒子物理学家托尼·斯基米的名字命名，斯基米子的磁旋使其具有非平凡的拓扑结构。由于这种拓扑结构，skyrmion具有类似粒子的特性——它们很难创建或破坏，它们可以移动，甚至相互反弹。skyrmion也有动态模式——它们可以摆动、摇动、伸展、旋转和呼吸。
当这些天空粒子“跳来跳去”时，它们会产生波长非常窄的磁自旋波。这些波的相互作用形成了一种意想不到的分形结构。
吉尔伯特说:“就像一个人在水池里跳舞一样，它们产生的波浪会向外涟漪。”“很多人跳舞，掀起了很多波浪，通常看起来像一个动荡、混乱的大海。我们测量了这些波，发现它们有一个明确的结构，并共同形成一个分形，每秒变化数万亿次。”
分形之所以重要和有趣，是因为它们本质上与“混沌效应”有关——初始条件的微小变化会导致分形网络的巨大变化。
吉尔伯特说:“我们想要做的是，如果你有一个skyrmion晶格，你用自旋波照亮它，那么波穿过这个分形生成结构的方式将非常密切地取决于它的结构。”“所以，如果你可以编写单独的skyrmions，它可以有效地将传入的自旋波处理成背面的东西，而且它是可编程的。这是一种神经形态的结构。”
Advanced Materials的封面插图描绘了这一过程的视觉表现，天空漂浮在湍流的蓝色海面上，说明了自旋波分形产生的混沌结构。
吉尔伯特说:“这些波浪的干扰就像你把一把鹅卵石扔进池塘一样。”“你会得到一个起伏不定、动荡不安的烂摊子。但这不是简单的混乱，它实际上是分形。我们现在有一个实验表明，由skyrmions产生的自旋波不仅仅是一堆波，它们有自己的固有结构。从本质上讲，通过控制我们‘扔进去’的石头，你会得到非常不同的图案，这就是我们正在努力的方向。”
这一发现部分是由橡树岭国家实验室(ORNL)高通量同位素反应堆和国家标准与技术研究所(NIST)中子研究中心的中子散射实验得出的。中子是磁性的，很容易穿过材料，这使它们成为研究具有复杂磁性行为的材料(如skyrmions和其他量子现象)的理想探针。
这篇新文章的合著者是Gilbert研究小组的学生Nan Tang、Namila Liyanage和Liz Quigley;美国国家标准与技术研究所(NIST)的Alex Grutter和Julie Borchers，橡树岭国家实验室的Lisa DeBeer-Schmidt和Mike Fitzsimmons;以及加州大学圣地亚哥分校的埃里克·富勒顿、希娜·帕特尔和塞尔吉奥·蒙托亚。
该团队的下一步是使用skyrmion行为构建一个工作模型。
吉尔伯特说:“如果我们能开发出能思考的计算机，那当然是非常重要的。”“因此，我们将提出制造一种小型化的自旋波神经形态结构。”他还希望诺克斯维尔大学的这项发现能激发研究人员探索未来一系列螺旋式增长的应用。
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