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
Japonský automobilový gigant Toyota je známý jako pionýr vodíkového pohonu v osobních autech. Jenže vývoj na trhu ukazuje, že potenciál vodíkových palivových článků sahá mnohem dál než jen k pohonu kol. Toyota nyní masivně rozšiřuje využití svých technologií do stacionárních generátorů elektřiny, které mohou zachraňovat přetížené sítě i dodávat energii nemocnicím.   Když se řekne […]
Představte si geopolitickou mapu světa v pozdních osmdesátých letech. Na jedné straně Washington, na druhé Moskva. Mezi nimi jaderný arzenál schopný zničit planetu padesátkrát dokola, železná opona a miliony vojáků v permanentní pohotovosti.   A pak je tu Donald Kendall, generální ředitel společnosti PepsiCo, který se v květnu roku 1989 stává admirálem flotily, jež čítá […]
Geny jsou zvláštní archiv. Pamatují si příběhy našich předků po tisíce generací a občas v nich zůstane i chyba, která se tiše dědí dál. Je nenápadná. Nepůsobí bolest ani únavu. Člověk o ní nemusí vědět celý život. Přesto může jednou rozhodnout o zdraví jeho dítěte. Právě to je případ řady dědičných onemocnění, například cystické fibrózy, […]
Plastový obal nebo ojetá pneumatika mají po skončení své služby nepříjemný problém. Materiál, ze kterého jsou vyrobené, jen tak nezmizí. Část podobného odpadu proto končí ve spalovnách nebo na skládkách. Česká společnost ENRESS ale ukazuje, že existuje i jiná cesta. Pomocí vysokých teplot dokáže z obtížně recyklovatelného odpadu znovu získat suroviny využitelné v průmyslu.   […]
reklama
Historie
Zaplatil za triumf Řeků profesionální běžec životem?
Vysílený muž, pokrytý potem a prachem, padá k zemi před shromážděním mocných Athéňanů. „Zvítězili jsme!“ zašeptá a zemře. Skutečně se ale tato scéna v dějinách odehrála?   První perská invaze do Řecka neslavně končí porážkou u Marathonu 12. září 490 př. n. l. Střetne se v ní až 30 000 Peršanů s o poznání méně početnou armádou Athén. Řekové […]
Proměnil architekt londýnské muzeum v katedrálu přírody?
Příroda je tu přítomná na každém metru. Přírodopisné muzeum v Londýně se chlubí nejen výjimečnými exponáty, ale také jeho výzdoba je s přírodou propojena tak, jako snad v žádné jiné budově na světě.   Druhá polovina 19. století je dobou, kdy se světové muzejní instituce předhánějí v tom, čí budova bude okázalejší ukázkou architektonické invence. Ani Londýn nezůstává […]
Žoldnéři za třicetileté války: Nejtěžší život měli mušketýři
„Tak dlouho jsme se píkami přeli, než se Bohu zlíbilo dát nám vítězství,“ líčí bitvu u Breitenfeldu 17. září 1631 John Forbes, jeden ze Skotů bojujících ve švédských službách. Zřejmě patřil k oddílům pikenýrů, nedílné součásti žoldnéřského vojska ve třicetileté válce…   Pikenýři společně s mušketýry tvoří páteř pěchoty za třicetileté války. Jejich hlavní zbraní […]
Nacista Streicher řídil mediální lynč Židů
Skoro 20 let učil na školách v rodném Bavorsku. Za vynikající službu v německé armádě za první světové války je Julius Streicher vyznamenán Železným křížem. Věří, že jako válečný hrdina uspěje i v politice.   Antisemitské názory přivedou Julia Streichera (1885–1946) do NSDAP. V listopadu 1923 se spolu s Hitlerem zúčastní v Mnichově neúspěšného pokusu […]
Zajímavosti
Příběh lyžařského vleku: Vozí lidi místo banánů!
Abychom si mohli užít vzrušující jízdu, musíme se nejdřív dostat na kopec! Jak to ale udělat? První lyžaři musejí pěšky. Komu se nechce, může využít psí spřežení. Do některých svahů jezdí vlaky, ovšem pořád to není ono…   Německý farmář Robert Winterhalder (1866–1932) vlastní mlýnský statek s restaurací a penzionem u Eisenbachu v Černém lese. […]
Tajemství uprostřed lesa: Proč některé houby svítí?
Ta představa zní docela komicky. Čapnout košík s nožíkem, baterku nechat doma a hurá do temného hvozdu. Co naplat, že zrovna odbila půlnoc, naopak v tuto denní dobu jsou přece houby vidět nejlépe!   Nejméně 80 druhů různých hub vyluzuje světlo. V Česku se tento fenomén objevuje například u dřevokazné houby václavka obecná. Specifická vlastnost se ale […]
Atlantropa: Vybudujeme si nový kontinent?
Silnice je v tomto úseku rovná jako pravítko. Skřípavým zvukem se pravidelně ozývá vrzání bicyklu, na kterém se plahočí 67letý muž. Pak ticho prořízne zvuk motoru. Prásk…Kolo je ve škarpě a auto, aniž by kdokoliv zjistil, kdo je řidičem, mizí v dáli.   Při nehodě 25. prosince 1952 umírá Herman Sörgel (1885–1952). Studenti, pro které […]
John DeLorean: Vizionář, šoumen, zločinec, legenda
Z chudých detroitských poměrů se vypracuje mezi nejvýraznější osobnosti amerického automobilového průmyslu. Jeho futuristický vůz se stane jednou z ikon 20. století, jeho osud doslova antickou tragédií.   Dětství Johna Zacharyho DeLoreana (1925–2005) poznamená chudoba i agresivita otce, rumunského dělníka Zacharyho DeLoreana, který se vypracuje v narkomana na plný úvazek. Je odhodlaný dostat se od […]
Záhady a napětí
Létající mnich z Červeného kláštera
Vysoko nad tmavými lesy Pienin se vznáší podivný stín. Několik pastýřů si zaclání oči před zapadajícím sluncem a nevěřícně sleduje postavu, která se odlepila od vrcholu Tří korun. Zdá se, jako by nějaký člověk v třepotajícím se hábitu rozprostřel obrovská křídla a plachtil přes horské štíty. Chvíli se vznáší v tichu, poté se ozve vzdálené […]
Vesmírný kurýr s nákladem DNA: Přiletěl život na Zemi z chladné temnoty?
Vzorky z asteroidu Bennu, které na Zemi přiváží sonda OSIRIS-REx, obsahují aminokyseliny i stavební kameny DNA. Potvrzuje tento revoluční objev kontroverzní teorii panspermie, podle které jsme všichni potomky vesmírných mikrobů? Skrývá se v černé hrozbě letící vesmírem klíč k našemu vlastnímu původu, nebo jde jen o chemickou hříčku přírody?   V poušti v Utahu na […]
Bagdádská baterie: Starověká elektrárna z Iráku?
Vypadá nenápadně, jen malá keramická nádoba, měděný válec a železná tyčka zapečetěná asfaltem. Přesto právě tento nález z okolí iráckého Bagdádu už desítky let dráždí archeology, techniky i milovníky záhad. Mohli lidé ve starověkém Iráku znát princip elektrického proudu dávno předtím, než se o něj začala zajímat moderní věda?   Na první pohled by si […]
Vědci na stopě deváté planety: Skrývá se uvnitř Sluneční soustavy dosud nespatřený obr?
Vědci již delší dobu předpokládají, že se někde za Neptunem skrývá dosud neobjevená devátá planeta. Existují sice náznaky vypovídající ve prospěch této teorie, ale jednoznačné důkazy stále chybějí. Ten zatím nejpřesvědčivější přichází v podobě dvou infračervených snímků pořízených s odstupem 23 let.   Kolik je planet v našem slunečním systému? Správná odpověď je osm, i […]
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
Naučte se vypnout při stresu
panidomu.cz
Naučte se vypnout při stresu
Říkáte, že není tak jednoduché prostě vypnout stres? Kupodivu je. Existuje metoda, která zabírá na každého, ať už je flegmatik, nebo cholerik. Akutní stres se neodrazí jen na psychice, ale stejně silně i na těle. Duševní napětí okamžitě přejde ve svalové, jsme ztuhlí, přikrčení a v obranné pozici. Ztuhlost může být tak intenzivní, že sevření
Ve Stříbrném domě ožívá dávná sláva Jihlavy
historyplus.cz
Ve Stříbrném domě ožívá dávná sláva Jihlavy
Jediný historický objekt dokáže vypovědět o dějinách města někdy víc než sto jiných. A pokud má vyprávět o dobách středověké stříbrné horečky, nemůže to být jiná stavba než Stříbrný dům v Jihlavě. Pokud bychom hledali vhodné přirovnání pro středověkou Jihlavu, asi by bylo nejvhodnější slovo „stříbrná“. Jakmile jsou v polovině 13. století v okolí objeveny stříbronosné rudy,
Ohromující sídlo krále pohádek
rezidenceonline.cz
Ohromující sídlo krále pohádek
Nemovitost Los Feliz, postavená společností slavného tvůrce v roce 1932, patří od roku 2011 rusko-kazašskému filmaři Timuru Bekmambetovovi, žijícímu převážně v Izraeli. Ten aktuálně ikonický dům Walta Disneyho v Los Angeles, kde vytvořil například filmy Popelka a Pinocchio, nabízí k pronájmu za 40 000 dolarů měsíčně.   Poté, co pohádkovou vilu za 3,7 milionu dolarů
Z Blaníku na Říp a zase zpátky: Vydejte se po stopách českých legend
epochanacestach.cz
Z Blaníku na Říp a zase zpátky: Vydejte se po stopách českých legend
Na jedné straně bájný Blaník s vojskem spících rytířů, na druhé Říp, z něhož měl praotec Čech poprvé spatřit svou zaslíbenou zemi. Dvě hory opředené českými pověstmi dnes propojují poutní cesty dlouhé dohromady téměř 500 kilometrů. A kdo se po nich vydá s fotoaparátem, může své zážitky proměnit také v soutěžní snímky. Blaník a Říp
Nezvratný osud Jessicy de Lima: Šlo se vyhnout srážce s kamionem?
enigmaplus.cz
Nezvratný osud Jessicy de Lima: Šlo se vyhnout srážce s kamionem?
Jednadvacetiletá brazilská studentka Jessica de Lima Rohl nevěřícně sleduje zprávy. V nich běží informace o požáru v nočním klubu Kiss, kde trávila příjemný večer spousta jejích přátel. Její život se
Vejce guacamole: Skvělá ke každé příležitosti
tisicereceptu.cz
Vejce guacamole: Skvělá ke každé příležitosti
S žitným chlebem se tato plněná vejce stanou naprosto neodolatelnou svačinou či večeří. Potřebujete 8 vajec 1 zralé avokádo 4 cherry rajčátka šťávu z půlky citronu 1 snítku petrželky nasekan
Co se stane, když zčervenají jeřabiny?
skutecnepribehy.cz
Co se stane, když zčervenají jeřabiny?
Každé prázdniny jednou skončí a nastane školní rok. Toho se obávají nejen děti, ale často i učitelé. Já jsem ale náhle měla důvod k radosti. Byla jsem absolutně vyhořelá učitelka a na začátek školního roku jsem se těšila přibližně stejně jako děti, to znamená vůbec. Přála jsem si, aby prázdniny trvaly, pokud možno, donekonečna, a s rostoucími obavami sledovala jeřabiny
Geny je předurčily k dědičné chorobě, a přesto neonemocněli! Co za tím stojí?
21stoleti.cz
Geny je předurčily k dědičné chorobě, a přesto neonemocněli! Co za tím stojí?
Dlouho panovalo mezi odborníky přesvědčení, že genetické varianty způsobující vážná dědičná onemocnění jsou extrémně vzácné, nicméně u každého, kdo je jejich nositelem, se téměř jistě rozvine souvisej
Návrat do padesátých let a k lososové barvě
iluxus.cz
Návrat do padesátých let a k lososové barvě
Stačí jediný pohled a strojek, pouzdro i řemínek ustupují do pozadí. Hlavním důvodem, proč se u nových Frederique Constant Classics Moneta Handwinding zastavit, je číselník. Lososový odstín se na něm
Chce exmanžel Kidman zničit novou lásku s boháčem?
nasehvezdy.cz
Chce exmanžel Kidman zničit novou lásku s boháčem?
Peprné okolnosti provází až snový vztah herečky Nicole Kidman (59). Po rozvodu s hudebníkem Keithem Urbanem (58) začala randit s bohatým investorem Michaelem Reinsteinem (54). Ten ji vozí ve svém F
Šest pokladů Sicílie, které vás okouzlí
nejsemsama.cz
Šest pokladů Sicílie, které vás okouzlí
Máte rádi dovolené, během kterých zažijete od všeho kousek? Krásné moře, jedinečné památky, nádech exotiky i úchvatné scenérie? Pak bude tipem pro vás italský ostrov na jihu, hned za špičkou „boty“. Etna Když je řeč o Sicílii, nemůžeme vynechat ani kultovní Etnu (3403 m), nejvyšší aktivní sopku v Evropě. Na její vrchol vás nepoženeme, ale dechberoucí pohled na ni si nenechte ujít. Nejlepší
Podvodnice Alicia Headová: Lež o 11. září ji vynese na vrchol
epochaplus.cz
Podvodnice Alicia Headová: Lež o 11. září ji vynese na vrchol
Všude je kouř. Alicia Esteve Headová (*1973) se plazí v 78. patře po podlaze Jižní věže. Je 11. září 2001. Teroristický útok na Světové obchodní centrum, konkrétně WTC 2, v místě nárazu letadla a patrech nad ním, přežije dohromady pouhých 19 lidí. Podle svých slov je Alicia mezi nimi. Oheň jí ožehne ruku, až na
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