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Réservoir à hétérojonction alimenté en haute tension

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L'utilisation d'amplificateurs haute tension dans le calcul du réservoir physique des systèmes à hétérojonction ferromagnétique-électrostatique

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Le « reservoir computing » (RC) est un cadre efficace de réseaux neuronaux récurrents doté de connexions internes fixes et ne nécessitant qu’un apprentissage de la couche de sortie, ce qui réduit considérablement le coût de calcul. Les réservoirs physiques exploitent la non-linéarité intrinsèque, la haute dimensionnalité et la mémoire à court terme pour le traitement temporel ; parmi ceux-ci, les réservoirs spintroniques sont particulièrement intéressants en raison de leur non-volatilité, de leur faible consommation d’énergie, de leur multifonctionnalité et de leur compatibilité avec la technologie CMOS. Les skyrmions magnétiques offrent une petite taille, une stabilité topologique et une efficacité énergétique, mais les réservoirs existants basés sur les skyrmions reposent principalement sur des entrées de courant ou de champ magnétique, ce qui entraîne une consommation d’énergie relativement élevée. Ce travail démontre expérimentalement un réservoir de skyrmions contrôlé en tension et induit par contrainte, utilisant une hétérostructure multiferroïque Pt/Co/Gd/PMN-PT, dans laquelle les champs électriques règlent à la fois la magnétisation et la résistivité, avec un effet Hall anormal en sortie. Le système effectue avec succès la classification de formes d’onde et la prédiction de séries chronologiques selon le modèle de Mackey–Glass, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour le calcul neuromorphique à faible consommation d’énergie.

Orientations de recherche :
Dispositifs à couplage magnéto-électrique avec contrôle adaptatif, calcul neuro-inspiré et calcul par réservoir, étude des transitions de phase et des propriétés physiques contrôlées par la piézoélectricité, expérimentation sur la régulation dynamique à haute fréquence et rapide.

Objectif expérimental :
La forme d’onde arbitraire générée par le générateur de signaux est amplifiée par l’amplificateur haute tension, puis injectée dans le système. La sortie en temps réel du système de détection est enregistrée, et l’entraînement ainsi que les tests du modèle pour le calcul par réservoir de ce système sont effectués.

Équipement d’essai :
Générateur de signaux, amplificateur haute tension ATA-7010, source de courant, nanovoltmètre, multimètre numérique, etc.

Déroulement de l’expérience :
Cette expérience a d’abord utilisé des techniques de micro- et nano-usinage pour fabriquer des dispositifs à barre de Hall comportant des films magnétiques multicouches sur un substrat piézoélectrique. Par la suite, via un circuit de transfert, les signaux de synchronisation ont été injectés dans le système à l’aide d’un générateur de signaux et d’un amplificateur haute tension, et la tension de Hall du dispositif a été relevée en tant que signal de sortie. Les signaux d’entrée et de sortie synchrones ont été enregistrés à l’aide d’un instrument, et grâce à l’apprentissage du modèle, les signaux de synchronisation ont pu être prédits.

La configuration spécifique de la plateforme expérimentale est illustrée dans la figure suivante. Les signaux générés par le générateur de signaux ont été transmis à l’amplificateur haute tension, qui a produit le champ électrique élevé requis pour l’expérience et l’a appliqué à l’échantillon. Une série de multimètres de test a été utilisée pour collecter les signaux de sortie et les signaux d’entrée réels synchrones. À l’aide du logiciel de programmation LabVIEW, les résultats de mesure de l’instrument ont été lus de manière synchrone sur l’ordinateur en vue de l’analyse ultérieure des données expérimentales.

Résultats expérimentaux :
Dans le cadre de la tâche de prédiction de séries chronologiques chaotiques de Mackey-Glass, une forme d’onde arbitraire (≤ ± 4 V) a été générée à l’aide d’un générateur de signaux, puis amplifiée par un amplificateur haute tension d’un facteur compris entre 100 et 200 avant d’être injectée dans le système de test. Au total, 2 500 × 50 × 2 = 250 000 points de données ont été collectés en continu. À l’issue des essais, le facteur d’amplification du signal et la précision du signal répondaient aux exigences expérimentales. Comme le montre la figure a, après un essai de longue durée, le signal d’entrée (en gris) et le signal de sortie (en rouge) se trouvaient tous deux dans un état relativement stable. La figure b présente les détails des données correspondant à la partie encadrée en bleu sur la figure a.

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