Materiaali oppii kuin aivot

EPFL:n tutkijat ovat havainneet, että Vanadium Dioksidi (VO2), elektroniikassa käytetty yhdiste, pystyy "muistamaan" koko aikaisempien ulkoisten ärsykkeiden historian. Tämä on ensimmäinen materiaali, jolla on tunnistettu tämä ominaisuus, vaikka muitakin voisi olla.

Tohtoriopiskelija Mohammad Samizadeh Nikoo teki sattumanvaraisen löydön tutkiessaan vanadiumdioksidin faasisiirtymiä. VO2:lla on eristävä vaihe, kun se relaksoidaan huoneenlämmössä ja se käy läpi jyrkän eriste-metalli -siirtymän 68 °C:ssa, jossa sen hilarakenne muuttuu.

Klassisesti VO2:lla on haihtuva muisti: "materiaali palautuu takaisin eristävään tilaan heti herätteen poistamisen jälkeen", Samizadeh Nikoo toteaa.

Väitöskirjaansa varten hän päätti selvittää, kuinka kauan VO2:n siirtyminen tilasta toiseen kestää. Mutta hänen tutkimuksensa johdatti hänet eri polulle: suoritettuaan satoja mittauksia hän havaitsi muistivaikutuksen materiaalin rakenteessa.

Kokeissaan Samizadeh Nikoo käytti sähkövirtaa VO2-näytteeseen. "Virta liikkui materiaalin poikki seuraten polkua, kunnes se poistui toiselta puolelta", hän selittää. Kun virta lämmitti näytettä, se sai VO2:n tilan muuttumaan. Ja kun virta oli ohi, materiaali palasi alkuperäiseen tilaansa.

Sitten Nikoo asetti materiaaliin toisen virtapulssin ja näki, että tilan vaihtamiseen kulunut aika liittyi suoraan materiaalin historiaan. "VO2 tuntui "muistavan" ensimmäisen vaiheen siirtymän ja ennakoivan seuraavaa", selittää POWERlabin johtaja professori Elison Matioli.

”Emme odottaneet näkevämme tällaista muistiefektiä, eikä sillä ole mitään tekemistä elektronisten tilojen vaan materiaalin fyysisen rakenteen kanssa. Se on uusi löytö: mikään muu materiaali ei toimi tällä tavalla."

Tutkijat havaitsivat, että VO2 pystyy muistamaan viimeisimmän ulkoisen ärsykkeensä jopa kolmen tunnin ajan. "Muistivaikutus voi itse asiassa säilyä useita päiviä, mutta meillä ei tällä hetkellä ole tarvittavia laitteita sen mittaamiseen", Matioli sanoo.

Tutkijaryhmän löytö on tärkeä, koska heidän havaitsemansa muistiefekti on itse materiaalin luontainen ominaisuus. Näin se erottuu tavanomaisista materiaaleista, jotka tallentavat dataa binääritietona, joka riippuu elektronisten tilojen manipuloinnista.

Tutkijoiden mukaan löytö toistaa hyvin sen mitä aivoissa tapahtuu, koska VO2-kytkimet toimivat aivan kuten neuronit.

Tutkimusraportti: Electrical control of glass-like dynamics in vanadium dioxide for data storage and processing

Sen loppupäätelmissä tutkijat toteavat: Nämä lasimaiset toiminnalliset laitteet voisivat ylittää tavanomaisen metallioksidi –puolijohde-elektroniikan nopeuden, energiankulutuksen ja miniatyrisoinnin suhteen sekä tarjota reitin neuromorfiseen laskemiseen ja monitasoisiin muisteihin.

Aiheesta aiemmin:

Aivomaista tietotekniikkaa

Aivomainen transistoripiiri