新研究表明：磁孤子有利于脑启发计算系统的开发！

近日，一个物理学家团队的研究表明，磁孤子与神经形态计算（neuromorphic computing ）的开发存在关联。

背景

1834年，英国科学家约翰·斯科特·罗素在勘察运河河道时，看到一只迅速前进中的船突然停下来时，船头形成了一个孤立的水波。水波的形状滚圆、光滑、轮廓分明。随后，这个孤立的水波迅速离开船头，以每小时约14～15千米的速度前进。水波在前进过程中，保持原有形状，稳定地传播着。

（图片来源：M. J. Ablowitz 和 D. E. Baldwin ）

后来，罗素将这种奇特的波包称为孤立波，也称为孤子（Soliton）。它是一种特殊形式的超短脉冲，或者说是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。随后，科学家又发现了孤立波不仅存在于水中，还存在于声、光、电、磁等多个领域。

之前，笔者介绍过德国和瑞士的科研小组，采用芯片上的氮化硅微谐振器产生光孤子，并制造出光学频率梳。通过两个叠加的频率梳，能在179个波长通道上，进行大规模并行数据传输，数据速率超过50Tbps，传输距离达75千米。

(图片来源: J. N. Kemal/ P. Marin-Palomo/ KIT)

创新

今天，我要给大家介绍一项有关磁孤子的研究成果。近日，一个物理学家团队的研究表明，磁孤子与神经形态计算（neuromorphic computing ）的开发存在关联。神经形态计算，是一种旨在模仿大脑功能的人工智能系统。

纽约大学物理学家、研究团队领头人 Andrew Kent 解释道：“随着我们继续开拓新型计算样式，理解它们构建模块的特性和前途很有必要。我们的研究成果展示了，这些组件其中的一个是如何运作的，下一步有望帮助实现它们的潜能。”

这项研究发表于《科学报告（Scientific Reports）》杂志。研究团队也包括来自西班牙巴塞罗那大学（University of Barcelona）以及西班牙材料科学研究所的科学家们。研究的领导作者是纽约大学物理系研究生 Jinting Hang 以及目前工作于德国联邦物理技术研究院（PTB）的纽约大学博士后研究员 Christian Hahn。

技术

Kent 和他的同事们拍之前摄到了磁孤子的图像。在这之前，磁孤子是一种未探测到的磁波，1970年代曾有理论表明它会发生于磁体中。它们有望用于磁电路中的数据传输，比现有的涉及移动电荷的方法要更加节能。

在《科学报告》杂志上的论文中，科学家们测试了一种特殊的孤子：动态的磁性液滴。组成这种孤子的磁波会迅速振荡。

(图片来源: iStock/peter bocklandt)

在他们的研究中，研究人员发现这些液滴孤子的一些功能，特别是，孤子能够扩散多远或多久而不消散，以及它们需要多久才能形成。

磁滴环绕着磁性薄层的电气接触处运动。接触边界由蓝色圆圈表示。相比于液滴完成轨道运动的时间，液滴中的磁矩振荡得非常快。像水滴会蒸发消失一样，当电流不再维持时，磁滴也会消失。

(图片来源: 参考资料【2】)

价值

磁孤子有可能作为一种在消费电子器件中传输数据的节能方案。Kent 表示：“这种孤子对于脑启发计算系统的开发来说很重要。例如，它们可以作为具有存储功能的振荡器，从而模仿神经元的一些特性。”

关键字

孤子、类脑计算、存储、磁

参考资料

【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