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
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. […]
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 […]
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
Kostka cukru se rodí kvůli poraněnému prstu: Dačická hádka s homolí změní celý svět
epochaplus.cz
Kostka cukru se rodí kvůli poraněnému prstu: Dačická hádka s homolí změní celý svět
Dnes ji hodíme do kávy, zamícháme a za pár vteřin na ni zapomeneme. Jenže malá kostka cukru má za sebou příběh, který začíná obrovskou homolí, sekáčkem, poraněným prstem a nejspíš i pořádně podrážděnou manželkou. Světový vynález se totiž nerodí v laboratoři plné bílých plášťů, ale v roce 1841 v moravských Dačicích. A hlavní padouch? Kus
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
Fibromyalgie, záhadná bolest celého těla, má zřejmě genetické základy
21stoleti.cz
Fibromyalgie, záhadná bolest celého těla, má zřejmě genetické základy
Dlouhodobá bolest svalů a kloubů, která se nelepší, únava i poruchy spánku provází fibromyalgii, chronické nezánětlivé onemocnění pohybového aparátu. Nejnovější studie, provedená na 2,5 milionu lidí u
Zavraždil Émila Zolu kominík?
historyplus.cz
Zavraždil Émila Zolu kominík?
Na podlaze útulného bytu na Rue du Bruxelles v centru Paříže leží nehybné tělo. Patří slavnému spisovateli Émilu Zolovi. V místnosti se nedá dýchat a za okny je ještě tma. Kalendář ukazuje 29. září 1902. Co se v bytě na dohled od Montmartru stalo? Otrávil se Zola nechtěně oxidem uhelnatým, nebo ho někdo záměrně sprovodil
Moje vnučka Anička se stala obětí šikany
skutecnepribehy.cz
Moje vnučka Anička se stala obětí šikany
Tehdy jsme netušili, jaké nebezpečí se může na internetu skrývat. Naše Anička byla také příliš důvěřivá. Naletěla podlému spolužákovi. Na základní škole měla vnučka vyznamenání, a tak nebylo překvapující, když se dostala na gymnázium. Co se týče kluků, měla ale Anička problémy. Celé hodiny trávila u počítače. Byla vlk samotář, takový duch třídy, a ti přitahují šikanu… Jednoho
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
V Holešovicích otevírá druhý Pult
iluxus.cz
V Holešovicích otevírá druhý Pult
Pivní bar Pult od samého začátku definuje šest perfektně čepovaných ležáků na jednom výčepu, které doplňují pivní speciály. Na tom se nic nemění ani v novém Pultu, který otevřel v Holešovicích, v ulic
Vzhůru za zážitky: Nejkrásnější lanovky v Česku a okolí
nejsemsama.cz
Vzhůru za zážitky: Nejkrásnější lanovky v Česku a okolí
Zažijte ta nejhezčí panoramata! Pokud toužíte po troše adrenalinu, výhledech na krásnou krajinu a vítáte tipy na zajímavé pěší túry nebo jen nenáročný výlet, určitě si z této naší soupisky vyberete. Pec pod Sněžkou Nechte se vyvézt na vrchol nejvyšší české hory Sněžky! Čeká tu na vás moderní čtyřmístná kabinková lanovka, která je v provozu denně mimo dubna a listopadu. Dolní stanice začíná v malebném
Majestátní Kašperk: Je to nejstrašidelnější hrad Česka?
enigmaplus.cz
Majestátní Kašperk: Je to nejstrašidelnější hrad Česka?
Temné lesy Šumavského podhůří s půlnocí ožívají. Korbele o sebe zběsile ťukají a v jedné z věží se brzy strhne první rvačka. Na Kašperku po nocích podle legendy řádí kostlivci! Se strašidly jako by se
Podmáslí, kefír nebo…
panidomu.cz
Podmáslí, kefír nebo…
Zakysané mléčné produkty jsou nejen výborným zdrojem bílkovin a vápníku, ale blahodárně působí i na naše střeva. Vyznáte se v nich? Na trhu jich objevíte hned několik. Všechny jsou pro naše zdraví přínosné, však se také řadí mezi superpotraviny. A to pro obsah prospěšných bakterií. Vedle vitaminů A, D a B a kvalitních bílkovin obsahují také
Začíná mít kráska Jágra tak akorát plné zuby?
nasehvezdy.cz
Začíná mít kráska Jágra tak akorát plné zuby?
Jak tohle asi dopadne? Dosud se přítelkyně hokejisty Jaromíra Jágra (54) Dominika Branišová (31) držela zpátky. Nad drobnými společenskými prohřešky své lásky zavírala oči. A neztrácela víru. Ve spo
Skvělý jahodový tvarožník
tisicereceptu.cz
Skvělý jahodový tvarožník
Tvarožník je tuzemskou obdobou italského tiramisu. Ingredience 400 g jahod 120 g piškotů 350 g zakysané smetany 400 g plnotučného tvarohu 2 vanilkové cukry 3 lžíce moučkového cukru 2 lžíce
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