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Serbatoio a eterogiunzione alimentato ad alta tensione

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L'applicazione degli amplificatori ad alta tensione nel calcolo del bacino fisico dei sistemi a eterogiunzione ferromagnetica-elettrostatica

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Il Reservoir Computing (RC) è un efficiente framework di reti neurali ricorrenti caratterizzato da connessioni interne fisse e dall’addestramento esclusivo del livello di output, che riduce significativamente il costo computazionale. I serbatoi fisici sfruttano la non linearità intrinseca, l’alta dimensionalità e la memoria a breve termine per l’elaborazione temporale; tra questi, i serbatoi spintronici risultano particolarmente interessanti per la loro non volatilità, il basso consumo energetico, la multifunzionalità e la compatibilità con la tecnologia CMOS. Gli skyrmioni magnetici offrono dimensioni ridotte, stabilità topologica ed efficienza energetica, ma i serbatoi esistenti basati sugli skyrmioni si affidano principalmente a input di corrente o di campo magnetico con un consumo energetico relativamente elevato. Questo lavoro dimostra sperimentalmente un serbatoio di skyrmioni controllato in tensione e mediato dalla deformazione, che utilizza un'eterostruttura multiferroica Pt/Co/Gd/PMN-PT, in cui i campi elettrici regolano sia la magnetizzazione che la resistività, con l’effetto Hall anomalo come output. Il sistema esegue con successo la classificazione delle forme d’onda e la previsione di serie temporali secondo il modello di Mackey–Glass, aprendo una nuova strada per il calcolo neuromorfico a basso consumo energetico.

Orientamento della ricerca:
Dispositivi di accoppiamento magnetico-elettrico con controllo adattivo, calcolo neuro-ispirato e calcolo a serbatoio, studio sulla transizione di fase e sulle proprietà fisiche controllate dalla piezoelettricità, esperimenti di regolazione dinamica ad alta frequenza/rapida.

Obiettivo sperimentale:
La forma d’onda arbitraria generata dal generatore di segnali viene amplificata dall’amplificatore ad alta tensione e quindi immessa nel sistema. Viene rilevata l’uscita in tempo reale del sistema di rilevamento e vengono eseguiti l’addestramento e il test del modello per il calcolo del reservoir di questo sistema.

Apparecchiatura di prova:
Generatore di segnali, amplificatore ad alta tensione ATA-7010, sorgente di corrente, nanovoltmetro, multimetro digitale, ecc.

Procedura sperimentale:
Questo esperimento ha innanzitutto utilizzato la micro-nanofabbricazione per realizzare dispositivi a barra di Hall con film magnetici multistrato su un substrato piezoelettrico. Successivamente, tramite un circuito di trasferimento, i segnali di temporizzazione sono stati immessi nel sistema tramite un generatore di segnali e un amplificatore ad alta tensione, e la tensione di Hall del dispositivo è stata rilevata come segnale in uscita. I segnali di ingresso e uscita sincroni sono stati acquisiti utilizzando uno strumento e, attraverso l’addestramento del modello, è stato possibile prevedere i segnali di temporizzazione.

La configurazione specifica della piattaforma sperimentale è illustrata nella figura seguente. I segnali generati dal generatore di segnali sono stati immessi nell’amplificatore ad alta tensione, il quale ha prodotto l’alto campo elettrico necessario per l’esperimento e lo ha applicato al campione. È stata utilizzata una serie di misuratori di sorgente di prova per acquisire i segnali di uscita e i segnali di ingresso effettivi sincroni. Tramite la programmazione con il software LabVIEW, i risultati delle misurazioni dello strumento sono stati letti in modo sincrono sul computer per la successiva analisi dei dati sperimentali.

Risultati sperimentali:
Nel compito di previsione delle serie temporali caotiche di Mackey-Glass, è stata generata una forma d’onda arbitraria (≤ ± 4 V) utilizzando un generatore di segnali, che è stata poi amplificata da un amplificatore ad alta tensione con un fattore compreso tra 100 e 200 prima di essere immessa nel sistema di prova. Sono stati raccolti in modo continuo un totale di 2500 × 50 × 2 = 250.000 punti dati. Al termine dei test, il fattore di amplificazione del segnale e la precisione del segnale hanno soddisfatto i requisiti sperimentali. Come mostrato nella Figura a, dopo un test a lungo termine, sia il segnale di ingresso (grigio) che quello di uscita (rosso) si trovavano in uno stato relativamente stabile. La Figura b mostra i dettagli dei dati relativi alla parte racchiusa nel riquadro blu della Figura a.

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