Norske forskere bak gjennombrudd – kan åpne for datamaskiner som fungerer som menneskehjernen

TEKNOLOGI: Forskningsresultatene er publisert i det anerkjente tidsskriftet Nature Nanotechnology og nylig løftet fram internasjonalt av ScienceDaily.

Hoveddelen av forskningen er gjennomført ved Johannes Gutenberg-universitetet i Mainz i Tyskland, med bidrag fra professor Asle Sudbø ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim.

Forskerne har for første gang klart å filme hvordan et ordnet mønster av mikroskopiske magnetiske virvler bryter sammen, samtidig som de kan påvirke virvlenes egenskaper.

Små magnetiske virvler kan lagre informasjon

De magnetiske strukturene kalles skyrmioner.

De kan beskrives som bittesmå virvler i magnetiseringen til et materiale. De er ikke fysiske hull eller partikler som beveger seg fritt, men stabile mønstre i hvordan de magnetiske momentene er orientert.

Disse mønstrene kan i prinsippet brukes til å representere og behandle informasjon.

– Skyrmioner er små, magnetiske virvler som kan lagre informasjon på en helt ny måte, forklarer professor Asle Sudbø, som leder NTNUs forskningssenter for kvantespintronikk, QuSpin.

I motsetning til mange tradisjonelle elektroniske komponenter kan skyrmioner være svært små og potensielt flyttes eller påvirkes med lavt energiforbruk.

Det gjør dem interessante for fremtidens dataminne, elektronikk og kunstige nevrale nettverk.

Filmet en magnetisk struktur som smeltet

Det avgjørende gjennombruddet handler om hvordan skyrmionene oppfører seg når de organiserer seg i regelmessige mønstre.

Under bestemte forhold danner virvlene et gitter, omtrent slik atomer kan organisere seg i en krystall.

Forskerne ønsket å forstå hva som skjer når dette mønsteret bryter sammen.

Ved hjelp av et avansert magneto-optisk mikroskop klarte de å følge prosessen direkte i sanntid.

De oppdaget at oppløsningen skjer i to trinn.

Først mister virvlene den regelmessige avstanden til hverandre, mens en viss orientering i mønsteret fortsatt består. Deretter forsvinner også denne ordenen, og strukturen blir fullstendig uordnet.

Forskerne kunne fremkalle prosessen ved å endre magnetfeltet og dermed størrelsen og bevegelsesfriheten til skyrmionene.

Dette ga dem mulighet til å undersøke hvordan de magnetiske strukturene reagerer når omgivelsene endres.

Hvorfor er dette viktig for datamaskiner?

Moderne datamaskiner bygger i hovedsak på transistorer som behandler elektriske signaler.

Selv om denne teknologien har utviklet seg enormt gjennom flere tiår, krever stadig større datamengder og mer avansert kunstig intelligens betydelige mengder elektrisitet.

En viktig utfordring er at informasjon ofte må flyttes mellom prosessorer og minne.

Denne transporten bruker både tid og energi.

Skyrmionbasert teknologi kan på sikt åpne for komponenter der informasjon lagres og behandles i samme fysiske struktur.

Det kan redusere behovet for å flytte data fram og tilbake mellom separate komponenter.

Men dette er en mulig fremtidig anvendelse. Den nye studien demonstrerer kontroll over magnetiske strukturer, ikke en fungerende skyrmionprosessor.

Kan etterligne måten hjernen behandler informasjon på

Et særlig interessant forskningsområde er såkalt nevromorf databehandling.

Dette handler om å utvikle datamaskiner som etterligner enkelte prinsipper fra biologiske nervesystemer.

Menneskehjernen består av milliarder av nerveceller som behandler informasjon gjennom omfattende nettverk av forbindelser.

I stedet for å utføre alle beregninger på samme måte som tradisjonelle prosessorer, kan nevromorfe systemer utnytte parallelle prosesser, dynamiske forbindelser og fysiske tilstander som endrer seg over tid.

Magnetiske skyrmioner er interessante fordi bevegelsen og samspillet mellom dem kan brukes til å representere slike prosesser.

Forskerne ser blant annet for seg at magnetiske strukturer kan benyttes til å utføre bestemte typer beregninger direkte i materialet.

– Disse virvlene i nanoskala kan bidra til å utvikle datamaskiner som ligner biologiske hjerner, sier Sudbø.

Det betyr ikke at datamaskinene vil få menneskelig bevissthet eller fungere nøyaktig som en hjerne. Målet er å etterligne enkelte effektive prinsipper for informasjonsbehandling.

Kan få stor betydning for kunstig intelligens

Mulighetene blir særlig interessante når vi ser på den kraftige utviklingen innen kunstig intelligens.

Store KI-modeller krever enorme mengder beregninger, og moderne datasentre bygges med stadig flere kraftige prosessorer og minnesystemer.

En betydelig del av energiforbruket er knyttet til databehandling og transport av informasjon mellom komponenter.

Dersom fremtidige magnetiske prosessorer kan utføre bestemte KI-beregninger med mindre energiforbruk, kan dette bidra til mer effektive datasentre.

Teknologien kan også bli interessant for mindre enheter som mobiltelefoner, sensorer, roboter og selvkjørende systemer.

Slike enheter kan ha behov for å behandle informasjon lokalt, uten å sende alle data til store servere.

Det er imidlertid ikke dokumentert hvor store energibesparelser skyrmionbaserte systemer vil kunne gi i praktisk bruk.

Kan også gi nye typer dataminne

En annen mulig anvendelse er datalagring.

Skyrmioner har magnetiske egenskaper som gjør dem interessante som informasjonsbærere.

I fremtidige minnekomponenter kan det bli mulig å representere digitale verdier gjennom tilstedeværelsen, plasseringen eller tilstanden til slike magnetiske strukturer.

Dette kan åpne for høy lagringstetthet og rask tilgang til informasjon.

En mulig fordel er at magnetiske tilstander kan bevare informasjon uten kontinuerlig strømtilførsel.

Men teknologien må fortsatt utvikles slik at informasjon kan skrives, flyttes og leses pålitelig gjennom svært mange operasjoner.

Også interessant for kvanteteknologi

Forskningen har forbindelser til spintronikk, et fagområde som utnytter elektronenes magnetiske egenskaper.

Dette er også relevant for forskning på kvantematerialer og topologiske fenomener.

Skyrmionenes stabilitet og særegne magnetiske struktur kan gi nye muligheter for å kontrollere informasjon på svært liten skala.

Det betyr likevel ikke at forskerne har utviklet en ny kvantedatamaskin.

Skyrmionbasert databehandling og kvantedatamaskiner er forskjellige teknologiske konsepter, selv om de deler deler av det samme fysiske forskningsgrunnlaget.

Norsk forskning sentral i gjennombruddet

NTNUs bidrag kommer fra forskningsmiljøet QuSpin, som arbeider med å utvikle grunnleggende kunnskap om hvordan elektronspinn og magnetiske fenomener kan brukes i fremtidens elektronikk.

Forskningssenteret har som mål å bidra til raskere, mindre og mer energieffektive elektroniske systemer.

Professor Asle Sudbø er medforfatter av studien, sammen med forskere fra Johannes Gutenberg-universitetet.

Den eksperimentelle delen ble i hovedsak gjennomført i Tyskland, mens samarbeidet med NTNU bidro til forståelsen av de fysiske mekanismene.

Forskerne mener resultatene gir ny innsikt i hvordan magnetiske strukturer kan kontrolleres.

– Funnene gir oss ny innsikt i hvordan denne typen partikler oppfører seg. Dette kan derfor bli viktig for utviklingen av mer energieffektiv datateknologi i fremtiden, sier Sudbø.

Kan bli et viktig skritt mot en ny datateknologi

Veien fra grunnforskning til kommersielle produkter kan være lang.

Forskerne må blant annet utvikle metoder for å produsere stabile magnetiske strukturer, kontrollere dem presist og integrere teknologien med eksisterende elektronikk.

Det må også dokumenteres at løsningene faktisk gir fordeler sammenlignet med dagens halvlederteknologi.

Likevel kan forskningen vise seg å bli viktig.

Historien har vist at nye oppdagelser innen magnetisme og materialfysikk kan legge grunnlaget for store teknologiske endringer.

De magnetiske virvlene forskerne nå har lært mer om, kan på lang sikt bli byggesteiner i en ny generasjon datamaskiner som bruker mindre energi på å behandle og lagre informasjon.

Det norske bidraget er dermed del av et internasjonalt forskningsarbeid som kan få betydning for fremtidens kunstige intelligens, datalagring og elektronikk – selv om teknologien foreløpig befinner seg på laboratoriestadiet.

Kilder: Nature Nanotechnology (4. august 2025), Johannes Gutenberg-universitetet, NTNU og ScienceDaily (26. oktober 2026).