“分形”这个词可能会激发计算机动画中迷幻色彩螺旋上升到无穷大的图像。这种现象的一个不可见但强大且有用的版本存在于动态磁分形网络领域。

材料科学与工程系助理教授达斯汀·吉尔伯特(DustinGilbert)及其同事发表了有关这些网络行为的新发现——这些观察结果可以提高神经形态计算能力。

他们的研究在其文章《斯格明子激发的自旋波分形网络》中有详细介绍，该文章是2023年8月17日《先进材料》杂志的封面故事。

吉尔伯特说：“大多数磁性材料(例如冰箱磁体)仅由磁域组成，其中磁旋转方向均平行。”“大约15年前，一个德国研究小组发现了这些特殊的磁体，它们的自旋形成环状，就像纳米级磁性套索。这些被称为斯格明子。”

斯格明子以传奇粒子物理学家托尼·斯凯尔梅(TonySkyrme)的名字命名，其磁旋涡赋予其非凡的拓扑结构。由于这种拓扑结构，斯格明子具有类似粒子的特性——它们很难创建或破坏，它们可以移动，甚至可以相互弹开。斯格明子还具有动态模式——它们可以摆动、摇动、伸展、旋转和呼吸。

当斯格明子“跳跃和抖动”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意想不到的分形结构。

“就像一个人在水池里跳舞一样，它们会产生向外扩散的波浪，”吉尔伯特说。“许多人跳舞会产生许多波浪，通常看起来像汹涌、混乱的海洋。我们测量了这些波浪，发现它们具有明确的结构，并共同形成了每秒变化数万亿次的分形。”

分形非常重要且有趣，因为它们本质上与“混沌效应”相关——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：“我们想要解决的是，如果你有一个斯格明子晶格，并用自旋波照射它，那么波穿过这种分形生成结构的方式将非常密切地取决于它的结构。”。“因此，如果你可以编写单独的斯格明子，它就可以有效地将传入的自旋波处理成背面的东西，并且它是可编程的。这是一种神经形态架构。”

《先进材料》封面插图描绘了这一过程的视觉表示，斯格明子漂浮在汹涌的蓝色大海之上，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将一把鹅卵石扔进池塘一样。”“你会得到一片波涛汹涌的混乱。但这不仅仅是任何简单的混乱，它实际上是一个分形。我们现在有一个实验表明，斯格明子产生的自旋波不仅仅是一团混乱，它们具有其固有的结构。非常自己的。本质上，通过控制我们‘扔进去’的那些石头，你会得到非常不同的模式，这就是我们正在努力的方向。”

这一发现部分是通过橡树岭国家实验室(ORNL)高通量同位素反应堆和美国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。中子具有磁性，很容易穿过材料，这使其成为研究具有复杂磁性行为的材料(例如斯格明子和其他量子现象)的理想探针。

吉尔伯特这篇新文章的合著者包括NanTang、NamilaLiyanage和LizQuigley，他们都是他的研究小组的学生。美国国家标准与技术研究所(NIST)的AlexGrutter和JulieBorchers、橡树岭国家实验室的LisaDeBeer-Schmidt和MikeFitzsimmons;以及来自加州大学圣地亚哥分校的EricFullerton、SheenaPatel和SergioMontoya。

该团队的下一步是利用斯格明子行为构建一个工作模型。

“如果我们能够开发出会思考的计算机，那当然是非常重要的，”吉尔伯特说。“因此，我们将建议制作一个小型化的自旋波神经形态架构。”他还希望德州大学诺克斯维尔分校的这一发现能够激发研究人员探索未来应用范围不断扩大的用途。

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