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
Vlajka, medaile, plyšák, flétna nebo třeba Krteček. Astronauti si na oběžnou dráhu vozí nejen vědecké vybavení, ale také malé předměty s velkým příběhem. Teď dostává šanci vybrat český symbol veřejnost. Co byste poslali do vesmíru Vy?   Co by mělo reprezentovat Českou republiku stovky kilometrů nad Zemí? Předmět připomínající českou historii, vědecký objev, kulturní tradici, […]
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 […]
reklama
Historie
Chtěla si první dáma Filipín koupit Beatles?
„Nevím, prostě nevím, kterou si vybrat,“ naříká nad kabelkami manželka filipínského prezidenta Marcose při návštěvě jednoho z butiků. Nakonec se rozhodne, že ho koupí celý, a to i s vyděšenou prodavačkou.   Její dětství má k rodinné idylce hodně daleko. Imelda (*1929), budoucí první dáma Filipín,  vyrůstá v toxickém prostředí. Její otec Vicente Romualdez má z prvního manželství […]
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 […]
Zajímavosti
Vanilka: Lusky, které dobyly svět!
Vanilku si oblíbí už dávní Totonakové z jihovýchodního Mexika, kteří ji považují za dar bohů. Aztékové ji později míchají s kakaem a Olmékové ji používají při rituálech. Když se pak dostává díky španělským dobyvatelům do Evropy, okouzlí vanilková chuť i vůně celý kontinent.   Když se řekne vanilka, většina z nás si představí voňavý lusk […]
Ledňáček: Osamělý lovec i létající drahokam
Když se člověk prochází kolem řeky nebo klidného rybníka, většinou netuší, že v jeho blízkosti sedí jeden z nejkrásnějších ptáků Evropy. Ledňáček říční, malý drahokam s peřím jako z palety excentrického malíře, patří k nejbarevnějším zvířatům, jaká u nás vůbec žijí.   I když je na světě okolo 90 různých druhů ledňáčků, pouze tento hnízdí […]
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. […]
Záhady a napětí
Tajemná světla od hory Brown Mountain: Záhada, která inspirovala Akta X!
Nad severoamerickou horou Brown Mountain bývají čas od času pozorovány tajemné světelné koule přelétající vysokou rychlostí nad korunami stromů. Existuje řada fotografií či nahrávek, které je zachycují. Světla se dokonce objevila i v kultovním seriálu Akta X. Dodnes však zůstávají bez vysvětlení. Co může být jejich zdrojem?   Speciální agent FBI Fox Mulder se v […]
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 […]
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
Byl to šok, když jsem zjistila, že mám sestru
skutecnepribehy.cz
Byl to šok, když jsem zjistila, že mám sestru
Mámě a tátovi to společně klapalo. Byli jsme krásná rodina. Ani ve snu by mě nenapadlo, že táta není můj vlastní. Až jednou mi přišel záhadný dopis. Obdivovala jsem své rodiče, jak jim to spolu krásně fungovalo. V mých očích to byl dokonalý pár. Nikdy mě nenapadlo, že je něco špatně. Byla jsem celá po mamince, povahou
Svoboda natvrdo o rozvodu se ženou
nasehvezdy.cz
Svoboda natvrdo o rozvodu se ženou
Nejradši by se rozvedl! Alespoň tak to vypadá v případě herce dobře známého ze seriálu Ulice Václava Svobody (62). Ačkoli to není dlouho, co si vzal svou partnerku Lenku, případný rozvod a svobodný
Hřbitov bláznů: Černé mše i zbloudilé duše!
enigmaplus.cz
Hřbitov bláznů: Černé mše i zbloudilé duše!
Žluto-bílá auta ocejchovaná výraznými černými písmeny VB se srocují za hřbitovní zdí Bohnického ústavního hřbitova. Tento zátah se od jiných značně liší. V mihotavých odlescích svíček totiž na zdejším
Proč Kazimír III. zavrhl svou českou manželku?
historyplus.cz
Proč Kazimír III. zavrhl svou českou manželku?
Nedokáže z ní spustit zrak. Je tak krásná. Její kůže je jako z alabastru. Tváři dominují hluboké tmavé oči, lemují ji hnědé vlasy, korálově rudé rty se jen málokdy usmívají. Polský král Kazimír III. Veliký se právě osudově zamiloval. V Praze. Na politickém kolbišti se střetávají už léta. Někdy vystupují jako spojenci, jindy proti sobě
Citroën C5 Aircross Émeraude si nechal barvu namíchat oceánem
iluxus.cz
Citroën C5 Aircross Émeraude si nechal barvu namíchat oceánem
Stačí opustit Rennes a zamířit k moři. Jen několik kilometrů od továrny, kde vzniká Citroën C5 Aircross, začíná Côte d'Émeraude neboli Smaragdové pobřeží. Právě jeho proměnlivé odstíny oceánu inspirov
Fosa: Kočka, cibetka, nebo co vlastně je?
21stoleti.cz
Fosa: Kočka, cibetka, nebo co vlastně je?
Lemuři byli oblíbení vždy, jejich popularita ale raketově stoupla poté, co vznikl animovaný film Madagaskar. Mnoho diváků se z něj rovněž dozvědělo o existenci predátora, o němž předtím nikdy neslyšel
Kapustnica s houbami
tisicereceptu.cz
Kapustnica s houbami
Tradiční slovenská hustá polévka připravovaná z kysaného zelí je nejlepší druhý den, když se rozleží. Suroviny na 4 porce 500 g kysaného zelí 250 g uzeného masa 200 g pikantní klobásy 100 g
Textury a dekory pro stěny
rezidenceonline.cz
Textury a dekory pro stěny
Tapeta jako výrazové gesto definuje atmosféru místnosti. Vzor, textura, barevnost, to vše vytváří vizuální rytmus, který ovlivňuje vnímání prostoru. Nálada interiéru tak může být ve výsledku klidná i bouřlivá, ale vždy by měla být promyšlená. Dobře zvolená tapeta dokáže proměnit prostor bez nutnosti stavebních zásahů. Je to nástroj, který pracuje s emocí, rytmem i světlem,
Domácí kosmetika s vůní medu
panidomu.cz
Domácí kosmetika s vůní medu
Med se k pěstění krásy používá od nepaměti. A ve vlastnoručně vyrobené kosmetice budete mít jistotu, že je ho tam poctivá porce. Med umí hodně. Intenzivně hydratuje pleť i vlasy, hojí rty, regeneruje suchou pokožku, brání infekcím na kůži. Umí dokonce změkčit zatvrdlou kůži na patách. Hodí se pro všechny typy pleti, pozor jen při
Ořezávátko: Malý vynález, který poslal nůž k ledu
epochaplus.cz
Ořezávátko: Malý vynález, který poslal nůž k ledu
Dnes ho najdeme v každém penálu a jeho obsluha je tak jednoduchá, že ji zvládne i školák se zavřenýma očima. Jenže ořezávátko není žádný pradávný pomocník. Když se první tužky objevují, o nějakém roztomilém plastovém udělátku není ani řeč. Tupá tužka znamená nůž, trochu trpělivosti a také slušnou šanci, že místo hrotu vznikne v prstu
Salát Niçoise
nejsemsama.cz
Salát Niçoise
Francouzský salát s tuňákem je sytý a svěží. Místo tuňáka můžete použít i jiné ryby z konzervy, další druhy salátu či bylinky. Na 4 porce potřebujete: ✿ 500 g malých brambor ✿ 250 g zelených fazolek ✿ 200 g tuňáka v oleji ✿ 4 vejce ✿ 1 hlávkový nebo ledový salát ✿ hrst černých oliv ✿ 1 červenou cibuli ✿ sůl Zálivka: ✿ 2 lžíce
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
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