Úvod
Věda
Planeta země
Historie
Zajímavosti
Lifestyle
Záhady a napětí
Spinové vlny jako klíč k udržitelnější AI

Rostoucí vliv umělé inteligence s sebou nese i obrovské energetické nároky, které zase přinášejí rozsáhlé klimatické výzvy.

Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT ve své dizertační práci přináší revoluční řešení: pomocí Mieho rezonancí v dielektrických materiálech vyvinul metodu, která umožňuje efektivní měření krátkých spinových vln běžnou laboratorní technikou.

Ondřejův objev přináší zásadní posun v dostupnosti výzkumu spinových vln, které mají potenciál stát se klíčovou platformou pro energeticky efektivní přenos a zpracování dat s využitím právě v oblasti AI, ale také v medicíně a mechano-biologii.

Enormní energetická náročnost

Umělá inteligence (AI) v posledních letech zažívá mimořádný rozmach a její potenciál zásadně měnit a zefektivňovat lidské činnosti je nepopiratelný. Přelomovým příkladem tohoto vývoje je vznik velkých jazykových modelů (LLM) jako ChatGPT nebo Gemini.

S jejich vzestupem však vyvstává zásadní problém – enormní energetická náročnost, která představuje významnou překážku při plnění globálních klimatických cílů, především z hlediska spotřeby vody – problémem je totiž zahřívání a s tím spojené chlazení infrastruktury, na které je potřeba až litr vody na pouhých několik promptů.

Spinové vlny

Jednou z perspektivních cest ke snížení energetické náročnosti AI, zejména LLM, je přechod od klasické von Neumannovy architektury k novým technologiím využívajícím vlnové systémy.

Spinové vlny se v tomto kontextu jeví jako slibný kandidát – umožňují snadnou integraci do stávajících technologií a poskytují přirozenou nelinearitu, klíčovou pro správné fungování AI (v současných implementacích tuto funkci zajišťují aktivační funkce).

Hlavní výzvou pro implementaci spinových vln do funkčních čipů je však jejich miniaturizace. Krátké spinové vlny s délkami pod 400 nm lze aktuálně měřit pouze pomocí synchrotronů, což je nákladné, časově náročné, a tudíž zpomaluje další vývoj v této oblasti.

Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT
Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT

Mieho rezonance

Pod vedením Michala Urbánka, vedoucího výzkumné infrastruktury CEITEC Nano, se tomuto problému věnoval v rámci svého doktorátu Ondřej Wojewoda s kolegy.

Ve své dizertační práci vyvinul novou metodologii, která tento problém řeší využitím takzvaných Mieho rezonancí v dielektrických materiálech a umožňuje tyto krátké spinové vlny měřit za pomoci standardního laboratorního vybavení zvaného Brillouinova spektroskopie světla (BLS).

Tato technika otevírá cestu nejen k dalšímu rozvoji spinových vln jako energeticky efektivní technologie pro AI, ale nachází uplatnění i v dalších oblastech.

Díky teoretickému popisu a praktické implementaci Mieho rezonancí má tato technika také potenciál významně přispět k pokroku v medicínských a mechano-biologických aplikacích, kde BLS v současnosti zažívá ohromný rozkvět, například v oblasti včasné diagnostiky očních vad.

„Spinové vlny (magnony) mají potenciál být použity jako nová platforma pro přenos a zpracování dat, protože mohou dosáhnout vlnových délek v rozsahu nanometrů a frekvencí od stovek megahertz až po jednotky terahertz.

Doteď bylo ovšem možné zobrazovat spinové vlny s vlnovými délkami pod difrakčním limitem světla pouze pomocí rentgenové mikroskopie s použitím velkých urychlovačů částic,“ vysvětluje Ondřej Wojewoda kontext svojí práce.

V Evropě jsou například synchrotronové urychlovače schopné měřit spinové vlny jen na dvou místech – Berlíně a Zürichu. Toto omezení razantně zpomaluje a zdražuje výzkum a vývoj zařízení založených na spinových vlnách.

Během svého doktorského studia proto Ondřej Wojewoda hledal možnosti, jak tento problém překonat.

Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT
Ondřej Wojewoda z CEITEC VUT

Křemíkový bordel

„Využitím Mieho rezonancí v dielektrických strukturách můžeme měřit spinové vlny se srovnatelnými vlnovými délkami pomocí standardní optické sestavy určené pro měření mikroskopie Brillouinova rozptylu světla,“ uvádí Wojewoda.

Celý proces studoval na silikonovém disku umístěném na vrstvě nikl-železa. Tato technika může být upravena pro získání rozlišení pro vlnové délky krátké až 50 nm v rovině vzorku pomocí pole silikonových proužků se subdifrakční periodou.

V poslední části své práce se Wojewoda věnoval měření koherentně vybuzených spinových vln, kde demonstroval fázové rozlišením změřením disperzní relace spinových vln.

Jak vlastně výzkum probíhal?…Využití plazmonických rezonancí i v Brillouinově rozptylu bylo pro Wojewoda při volbě tématu na doktorát přirozeným krokem, protože Brillouinův rozptyl je podobný rozptylu Ramanově a v Ramanově rozptylu se plazmonické rezonance často využívají zesílení signálu.

Jelikož však byl Wojewoda a jeho spolupracovníci nováčky v oblasti Brillouinova rozptylu, nebyli si vědomi, že podobný přístup již dříve zkoušelo několik týmů, ale bez úspěchu…Při svém prvním pokusu však tým získal výborné výsledky, které bohužel nedokázali opakovat.

„Díky pokročilým možnostem nanocharakterizace, které jsou dostupné v CEITEC Nano, jsme zjistili, že na vzorcích nejsou kovové částice, jak jsme původně plánovali, ale místo toho křemíkový „bordel“, který nám na vzorky neúmyslně napadal,“ vysvětluje Ondřej Wojewoda.

Změna paradigma?

Tento objev dovedl k vytvoření nových křemíkových rezonátorů, se kterými se jemu a jeho kolegům jako prvním podařilo nejen zesílit signál, ale také rozšířit detekční schopnosti Brillouinova rozptylu na velmi malé vlnové délky pod 50 nm.

Prezentované výsledky mají potenciál zásadně změnit paradigma výzkumu v oblasti fyziky pevných látek a mechano-biologie.

Wojewoda metoda je replikovatelná, podobných výsledků mohou nyní dosahovat týmy po celém světě – stačí jim k tomu jen nanofabrikační laboratoř a optická sestava pro měření Brillouinova rozptylu světla. To je zásadní pokrok.

Za vynikající studijní výsledky a mimořádný přínos v oblasti laserové spektroskopie obdržel Ondřej Wojewoda koncem loňského roku Cenu Hlávkovy nadace.

Hlávkova nadace, nejstarší česká nadace založená 25. ledna 1904 architektem Josefem Hlávkou, podporuje vědu, literaturu, umění a nadané studenty na českých vysokých školách.

Uděluje Cenu Josefa Hlávky nejlepším studentům, absolventům a mladým vědcům. Ceny Hlávkovy nadace 2024 spojené s finanční odměnou si na zámku v Lužanech u Přeštic převzalo šest studentů Vysokého učení technického v Brně.

Hlávkova nadace, nejstarší česká nadace založená 25. ledna 1904 architektem Josefem Hlávkou, podporuje vědu.
Hlávkova nadace, nejstarší česká nadace založená 25. ledna 1904 architektem Josefem Hlávkou, podporuje vědu.

*** Cesta do MIT ***

* Ondřej Wojewoda nadále působí na CEITEC VUT. Díky grantu Postdoc Individual Fellowship od GAČR se nyní připravuje na dvouletou postdoktorskou stáž na prestižní americké univerzitě Massachusetts Institute of Technology (MIT), kde se bude věnovat výzkumu nereciprokých magnetických materiálů pro využití v mikrovlnných technologiích.

Foto: VUT
Související články
Nanočástice stříbra byly považovány za zbraň č. 1 v boji s bakteriemi odolnými vůči antibiotikům. Vědci z přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého však upozorňují, že bakterie se systematicky adaptují i na nanomateriály včetně stříbra. Je to další facka vědě?   Nejde přitom o náhodné nebo přechodné jevy, ale o komplexní soubor obranných strategií, které se opakují napříč různými bakteriálními kmeny i typy […]
Z pohledu mozku je lež výrazně náročnější než pravda. Říct pravdu znamená vytáhnout hotovou informaci z paměti. Zalhat znamená hned několik věcí najednou: pravdu potlačit, vymyslet alternativní verzi, uhlídat její konzistenci a ještě sledovat reakci protistrany. Mozek se při tom pořádně zapotí.   Neurovědci dlouhodobě sledují, že při lhaní se aktivuje především prefrontální kortex, tedy […]
Chuť na hořké v nás spouští jeden z nejstarších ochranných reflexů. V přírodě totiž hořkost často signalizovala jedovaté látky v rostlinách. Mozek se proto během evoluce naučil, že hořké rovná se potenciálně nebezpečné. I dnes, v době laboratorně testovaných potravin, tento mechanismus funguje téměř automaticky. U většiny lidí vyvolává hořká chuť instinktivní odpor, někdy dokonce […]
Na první pohled vypadá jako futuristický model letadla z výstavy designu. Ostré hrany. Štíhlý trup. Austrálie právě testuje hypersonickou platformu DART – stroj, který si pohrává s rychlostmi nad pětinásobkem rychlosti zvuku. Australská společnost Hypersonix Launch Systems ve spolupráci s australským ministerstvem obrany nedávno provedla pozemní zkoušky svého bezpilotního stroje DART AE. Zkratka DART znamená […]
reklama
Historie
Fort Jefferson: O 16 milionů cihel se nikdy neválčilo
Na první pohled se mu ta skupinka opuštěných ostrůvků zalíbila. Jeví se jako ideální místo pro vybudování námořní stanice. Bohužel komodor David Porter zjistí, že na nich není žádná pitná voda, a svou pozornost zaměří jinam. Ovšem Američané se do tohoto ráje kousek od Floridy brzy vrátí a přece jen zde začnou stavět…   Pro […]
Přivedl císaře do neštěstí namyšlený eunuch?
Mají oči a uši všude. Eunuchové doprovázejí čínské císaře už v dobách prvních panovnických dynastií. V některých obdobích se jim daří hůř, jindy líp. Jejich doslova zlatá éra nastává za vlády Mingů.   Kastrace u čínských eunuchů spočívá v odříznutí penisu i varlat najednou. Zpočátku se jedná o trest, ale císaři z dynastie Mingů ho […]
Cenzuroval tyran Čelakovský své ženě dopisy?
Na psacím stole se vrší jedna kniha za druhou. „Samé učebnice. A k čemu?“ rozčiluje se František Ladislav Čelakovský. Ambice jeho ženy ho přivádějí k nepříčetnosti.   O své rodiče přišla Bohuslava Rajská (původním jménem Antonie Reissová; 1817–1852) už v mládí. Nějakou dobu proto žije v rodině své sestry Karoliny. Má tam k dispozici rozsáhlou knihovnu, kde se s nadšením vzdělává […]
Pekař na chůdách zdolal téměř 3000 kilometrů
Obyvatelé kraje Landes na jihozápadě Francie žijí po staletí doslova odříznutí od světa. Místní proto běžně používají vysoké chůdy. Oblíbí si je nejen pastevci, kteří se díky nim mohou bez problémů pohybovat v bažinaté krajině, ale i poslové nebo pošťáci.   Chodit se na nich učí dokonce už děti! Chůdám zde odzvoní až koncem 19. století, […]
Zajímavosti
Nekonečné schodiště: Mazaná optická hádanka
Stoupáte schod po schodu nahoru, zatáčka… Ale vždyť tady jste už byli! Ne, v realitě toto schodiště postavit neumíme. Zato na papíře či monitoru nám dokáže pořádně zamotat hlavu. „Je to nemožnost ve své nejčistší formě,“ nechá se slyšet jeden z jeho tvůrců, Roger Penrose.   Vytvoří na 2500 objektů, ze kterých lidem spadne brada. Vždyť vypadají […]
Kolonie Roanoke: Kam zmizelo 120 anglických osadníků?
Domy jsou opuštěné, borový les tiše hučí a večerní stíny se plazí mezi kmeny. Kolem osady na ostrově Roanoke v dnešní Severní Karolíně je nově postavená palisáda, ale ani to nejspíš nedokáže osadníky zachránit. Muži, ženy, děti – všichni jsou pryč. Nadobro a navždycky!   Anglický kapitán John Smith (1579–1631) v srpnu 1587 naposledy zamává své […]
Nindžové: Mistři intrik a převleků
Představíte si černou kuklu, tichý pohyb po střechách a smršť létajících hvězdic, než zazní poslední výdech nepřítele? Realita je o dost pestřejší, a to nejen barevně. Nindžové skutečně existovali, ale jejich život vypadal jinak než ve filmech a videohrách.   Kultovní černý kostým nindži má svůj původ v japonském loutkovém divadle, kde vodiči loutek nosí […]
Victor Noir: Odvážný novinář láká ženy až po smrti!
Hodiny ukazují krátce po poledni, je 10. ledna roku 1870 a poklidný pařížský vzduch naplní třaskavý zvuk výstřelů. O pár chvil později vybíhá z domu dvojice mužů. Jeden z nich však klopýtá a po několika krocích padne k zemi a zemře.   Francouzský novinář Victora Noira (1848–1870) umírá příliš mladý a té pravé slávy se dočká až posmrtně. […]
Záhady a napětí
Potopená relikvie: Nesla ruská loď kus Pravého kříže?
Vlajková loď ruské Černomořské flotily Moskva se v roce 2022 potopí po zásahu ukrajinskými raketami. Ke dnu s ní však údajně klesá i velmi vzácná relikvie: Na palubě se měl totiž nacházel kousek Pravého kříže, tedy dřeva, na němž byl ukřižován Ježíš Kristus! Byla ale relikvie vůbec na lodi? Co se s ní potom stalo? A přispěla nějak […]
Hlídá mýty opředený hloh přechod mezi světy?
Strážce před neviditelným zlem i důvěrný spojenec v časech slabosti a zoufalství. Nenápadný hloh provází člověka po tisíce let. Jeho trny měly odhánět démony, květy chránit nevěsty a celé keře vymezovat hranici mezi světem živých a mrtvých. Proč se tyhle rostliny sázely u hrobů a proč se k nim lidé obraceli, když hledali klid, spánek […]
Zázračné obrazce v Cajamarquille: Jde o obří svislé pohřebiště?
O nejslavnějších geoglyfech na peruánské planině Nazca byly popsány již stohy papírů, přitom relativně nedaleko lze najít méně známý, ovšem stejně záhadné útvary, takzvané Band of Holes, neboli Pás děr. Ze vzduchu připomíná obří děrovaný pás táhnoucí se krajinou. Tisíce jam seřazených do dokonalých řad. Kdo je vykopal, kdy a hlavně proč? To je dodnes […]
Noční kůň ze švýcarských močálů: Děsivý postrach neopatrných poutníků!
Osamělý unavený poutník se plouží mlžnou krajinou přes vřesoviště. Náhle se z mlh vynoří kůň, jehož kopyta sotva narušují zem, po které kráčí. Poklekne a nabízí milosrdenství, lákavý únik ze zrádné bažinaté krajiny. Pokud ale nasedne, odveze ho do neznáma. Opravdu stačí chvilka nepozornosti, aby se člověk ztratil navždy?   Odlehlá oblast Gruyère v kantonu Fribourg […]
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
Sklo jako působivý architektonický materiál
rezidenceonline.cz
Sklo jako působivý architektonický materiál
Velkoplošné prvky ze živého transparentního materiálu stavbu osvěžují, propouštějí do jejího nitra spoustu světla, a tím zlepšují kvalitu vnitřního prostředí. Navíc významně ovlivňují vzhled budovy. Tak jako dřevo a kámen v konstrukčních řešeních zdařile zastupuje ocel, výplně z cihelného či jiného zdiva zase velmi působivě nahrazuje sklo. Jeho vizuálního benefitu v podobě zrcadlení oblohy i
Umí mágové a čarodějové ovládnout i losování loterií?
enigmaplus.cz
Umí mágové a čarodějové ovládnout i losování loterií?
Je to napjatě očekávaná událost. Britský iluzionista Derren Brown (*1971) přislíbí, že v září roku 2009 v přímém přenosu uhádne čísla národní loterie. Může se mu něco takového povést? [gallery ids
Zmohl se Ferdinand IV. na slib jen v němčině?
historyplus.cz
Zmohl se Ferdinand IV. na slib jen v němčině?
Slavnostně vyzdobený chrám sv. Víta zažívá významný okamžik. Za vyzvánění zvonů a za dělových salv je česká koruna vložena na hlavu nového panovníka. Je jím přitom teprve 12letý chlapec. Ferdinand III. Habsburský (1608–1657) už dosáhl všeho, po čem v životě mohl jen toužit. Ve chvíli, kdy si v roce 1637 po smrti svého otce a předchůdce Ferdinanda
Schneiderová dává partnerovi další šanci. Ale co bude pak?
nasehvezdy.cz
Schneiderová dává partnerovi další šanci. Ale co bude pak?
Nedávno se herečka Jitka Schneiderová (52) vrátila z dovolené, kam si prý jela utřídit myšlenky. O problémech v jejím vztahu s designérem Lukášem Pitterem (45) se mluví už pár měsíců. Zatím to vša
Serengeti na jaře: Když se krajina nadechne života
epochanacestach.cz
Serengeti na jaře: Když se krajina nadechne života
Existují místa, kde čas plyne jinak. Serengeti je jedním z nich. S příchodem jara se zde rozlehlé pláně probouzejí do rytmu, který je starší než lidstvo samo. Vzduch je těžký, tráva svěží a horizont nekonečný. A právě v těchto týdnech se odehrává jedno z nejintenzivnějších přírodních divadel na světě. Na jihu Serengeti se každoročně shromažďují
Percy Spencer a mikrovlnná trouba: Když radar ohřál večeři
epochaplus.cz
Percy Spencer a mikrovlnná trouba: Když radar ohřál večeři
Stačila jedna rozteklá čokoláda v kapse a svět už nikdy nevařil stejně. Příběh mikrovlnné trouby je ukázkou toho, jak válečný výzkum nečekaně pronikl až na kuchyňskou linku a změnil každodenní život milionů lidí. V roce 1945 stojí americký radarový inženýr Percy Spencer (1894-1970) v laboratoři americké firmy Raytheon a testuje magnetron, klíčovou součást radarů, které
Raw pohanková kaše
tisicereceptu.cz
Raw pohanková kaše
Vychutnejte si lahodnou snídani plnou kvalitních bílkovin, vitamínů, minerálů a vlákniny. Dodá vám spoustu energie do náročného dne. Potřebujete Hrnek naklíčené pohanky 1 hrnek vlašských ořechů
Kuřecí kari s kokosovým mlékem
nejsemsama.cz
Kuřecí kari s kokosovým mlékem
Exotické kuřecí kari s kokosovým mlékem je skvělá volba pro milovníky indické kuchyně. Ingredience: ● 500 g kuřecích prsou ● 1 cibule ● 2 stroužky česneku ● 1 plechovka kokosového mléka ● 2 lžíce zelené kari pasty ● 1 červená kapie ● citronová tráva ● 1 lžíce oleje ● sůl ● pepř dle chuti Postup: Na pánvi rozehřejte olej a osmahněte na něm nadrobno nakrájenou cibuli, citronovou trávu a česnek. Přidejte
Maminčin věrný přítel se dočkal nového pána
skutecnepribehy.cz
Maminčin věrný přítel se dočkal nového pána
Po smrti tatínka se na Šmudlu upnula. Když máma zemřela, nedokázali jsme se o to staré zvíře postarat a vzít ho z vesnice do našeho městského bytu. Svým dětem jsme se vždy snažili být oporou. Když byly malé, i když vyrostly a měly svoje vlastní malé děti. To byla naše role snad ještě náročnější. Z mladší dcery Lenky se stala samoživitelka.
Vše, co potřebujete vědět o skladování vajec
panidomu.cz
Vše, co potřebujete vědět o skladování vajec
Dříve jsme slýchávali, že bychom konzumaci vajec měli omezit, protože nejsou zdravá. Poslední trendy však hovoří o tom, že vejce nám neškodí. To však platí za předpokladu, že s nimi budeme umět správně nakládat. Vejce kupujeme výhradně ta, která jsou označená, že prošla kontrolou, nemají žádnou prasklinu a jsou co nejčerstvější. Vejce třídy A mají
Mozek dětí se přizpůsobuje chybějící končetině už v raném věku. Podobné je to u robotů
21stoleti.cz
Mozek dětí se přizpůsobuje chybějící končetině už v raném věku. Podobné je to u robotů
Mezinárodní tým vědců publikoval v prestižním časopise Nature Communications studii, která ukazuje, že mozek dětí narozených s rozdílem horní končetiny prochází výraznou reorganizací už v raném věku.
Rolls-Royce Cullinan Yachting odkazuje na eleganci plachetnic
iluxus.cz
Rolls-Royce Cullinan Yachting odkazuje na eleganci plachetnic
Značka Rolls-Royce představila Cullinan Yachting, sérii čtyř automobilů z řady Private Commissions, která oslavuje estetiku, materiály a duši moderních luxusních jachet. Každý z vozů definuje jedna ze
Provozovatel: RF HOBBY, s. r. o., Bohdalecká 6/1420, 101 00 Praha 10, IČO: 26155672, tel.: 420 281 090 611, e-mail: sekretariat@rf-hobby.cz