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
Fytoakustika patří mezi nové vědní obory, které zásadně mění naše představy o životě rostlin. Ještě před několika desetiletími byly rostliny považovány za tiché a pasivní organismy, které pouze reagují na změny prostředí. Moderní výzkum však ukazuje, že skutečnost je mnohem zajímavější. Rostliny totiž dokážou své okolí vnímat prostřednictvím mechanických podnětů a samy také vydávají zvuky […]
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, […]
reklama
Historie
Klášter Pannonhalma je starý jako samo Maďarsko
Císař Josef II. ke konci 18. století zruší v rakouské monarchii stovky klášterů. Odejít musejí také benediktýni z Pannonhalmského arciopatství. O necelé dvě dekády později se ale do zdejšího kláštera mohou mniši vrátit. Stačilo, aby splnili jednu podmínku…   Pannonhalmský klášter, který stojí na malém pahorku jižně od Györu, je stejně starý jako samotné Maďarsko. […]
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 […]
Zajímavosti
Alcázar v Seville: Nejstarší královský palác Evropy
Vstoupit do sevillského Alcázaru znamená ocitnout se v jiném světě, kde se mísí vůně dávné Arábie s příběhy španělských královen, rytířů, básníků i diplomatů. Zcela oprávněně patří mezi nejnavštěvovanější paláce Evropy. Není divu, že láká historiky, turisty i filmaře.   Tento maurský skvost je zcela oprávněně považován za jednu z nejkrásnějších staveb Španělska. Protože je […]
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 […]
Záhady a napětí
Vesmírná lékárna: Léčili starověcí šamani podle frekvencí hvězd?
Co když chvíle, kdy léčitel utrhne list nebo vyhrabe kořen, zásadně mění sílu jeho účinku? Staré medicínské tradice spojují lidské zdraví, rostliny a noční oblohu do jediného systému. Člověk je v něm obrazem vesmíru a nemoc poruchou kosmického řádu.   Zní to jako magie? Jenže moderní botanika dnes například připouští, že rostliny reagují i na […]
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 […]
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
Jezero koster Rúp Kund: Zavraždila zde stovky lidí neznámá síla?
enigmaplus.cz
Jezero koster Rúp Kund: Zavraždila zde stovky lidí neznámá síla?
Vysokohorské ledovcové jezero Rúp Kund v indickém státě Uttarákhand objeví v roce 1942 lesní strážce. Brzy je zjištěno, že se v něm nalézá 300 až 600 lidských koster, jež jsou v různém stadiu rozkladu
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
Démon našich vod: Proč je lepší nechat bílého sumce na pokoji?
epochaplus.cz
Démon našich vod: Proč je lepší nechat bílého sumce na pokoji?
Obří bílé tělo stoupá k hladině a okolní příroda utichá. Démon, strážce, duch vodního světa na nás milostivě okem spočinul. Raději ho nerušte. V evropské mytologii a folklóru je bílý sumec zjevením, které vyžaduje respekt. Albinismus je vzácná genetická porucha ztráty pigmentu. Výsledkem je jedinec, který se výrazně odlišuje od ostatních svého druhu. Když se k tomu
Sousedův pes cítil neštěstí
skutecnepribehy.cz
Sousedův pes cítil neštěstí
Barny byl přátelský, neublížil by ani mouše. Jakmile ale začal kňučet a zběsile štěkat, věděli jsme, že se do naší malé vesnice blíží neštěstí. S manželem jsme se před pár lety přestěhovali z rušného velkoměsta do malé vesničky v oblasti Jeseníků. Oba už jsme měli svoje roky a jediné, po čem jsme toužili, byl klid. Vždycky
Léčí Kadeřávková smutek z rozchodu?
nasehvezdy.cz
Léčí Kadeřávková smutek z rozchodu?
Má herečka z krimiseriálu Zločin na dobré cestě, Anna Kadeřávková (29), opět zlomené srdce? Tak ráda by se vdávala, zatím se ale ve vztazích tak trochu plácá. S expřítelem plánovali společné bydlení
Šampaňské, které přesvědčilo  k investicím i Leonarda DiCapria
iluxus.cz
Šampaňské, které přesvědčilo k investicím i Leonarda DiCapria
Co přiměje hollywoodskou hvězdu Leonarda DiCapria investovat do šampaňského domu? V případě Telmontu to není jen obsah sklenky. Značka z Damery nedaleko Épernay spojila více než stoletou vinařskou his
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
Drápy, žihadla, tesáky, kly či zobáky: Které zbraně zvířat či rostlin jsou nejdokonalejší?
21stoleti.cz
Drápy, žihadla, tesáky, kly či zobáky: Které zbraně zvířat či rostlin jsou nejdokonalejší?
Při jejich posuzování je třeba vzít v úvahu univerzální evoluční pravidlo: žádný bodný nástroj vyskytující se v přírodě není nejlepší ve všem. V nejnovější studii se vědci zaměřili na posouzení jejich
Nejlepší zdravé tuky pro vaše tělo
nejsemsama.cz
Nejlepší zdravé tuky pro vaše tělo
Ty doby, kdy výživoví poradci bojovali proti tukům v potravinách, jsou naštěstí už dávno pryč. Dnes totiž dobře vědí, že některé tuky jsou velice prospěšné. Bez tuků to zkrátka nepůjde. Ke zdravému fungování těla jsou prostě potřeba. Konzumace zdravých tuků by měla být součástí vyvážené stravy, která je klíčem k celkovému zdraví a pohodě. Obecně platí, že
Osvěžující zeleninový salát
tisicereceptu.cz
Osvěžující zeleninový salát
Lehký zeleninový salát vám jistě přijde vhod, navíc jej vykouzlíte pouze během necelé půlhodinky. Ingredience 1 květák 2 rajčata 1 červená cibule salátová okurka malé mozarellky 150 ml bílé
Černá hodinka s vonnými pryskyřicemi
panidomu.cz
Černá hodinka s vonnými pryskyřicemi
Stačí vám běžná aromalampa a trochu pryskyřice určené k vykuřování. Ne, nebojte se, nevoní to jako v kostele. Pryskyřice uvolňují velmi příjemné aroma. Vonné pryskyřice se použivjí při výrobě parfémů, je jich řada druhů a jejich vůně se liší. U nás je nejspíš seženete v obchodech s esoterickými a šamanskými potřebami, tam jsou určeny pro
Hanácký obr bavil císaře
historyplus.cz
Hanácký obr bavil císaře
Když mu chtěl otec v devíti letech koupit boty, trhovci se zděsili. Tak velkou nohu totiž dosud neviděli. Už jako chlapec měl Josef takovou sílu, že jedním úderem dokázal zmrzačit krávu. Seděl nerad, raději postával. Skoro každá židle se pod ním totiž rozpadla… Josef Drásal (†1886) přišel na svět 4. července 1841 v Chromči na Šumpersku do
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