Uudelleen konfiguroitavia neuromorfisia molekyylipiirejä

Jo puolen vuosisadan ajan nanoelektroniikassa on pyritty räätälöimään sähköisiä ominaisuuksia molekyylisuunnittelun avulla erilaisille sähköpiirien osille, kuten kytkimille ja muisteille, mutta ennustavia malleja on ollut vaikea saada aikaan.

Haaste johtuu rakenne- ja toimintasuhteiden luontaisesta monimutkaisuudesta, jossa pienetkin atomitason muutokset molekyylissä voivat laukaista epälineaarisia, monireittisiä vuorovaikutuksia varauksensiirroissa.

Intian tiedeinstituutin (IISc) kemian, fysiikan ja sähkötekniikan yhteistyönä Nanotieteen ja -tekniikan keskuksen (CeNSE) apulaisprofessori Sreetosh Goswamin johtama tiimi on luonut pieniä molekyylisiä memristoripiirien rakenteita, joita voidaan säätää suorittamaan erilaisia toimintoja. Sama memristoripiiri voi toimia muistiyksikkönä, logiikkaporttina, valitsimena, analogisena prosessorina tai elektronisena synapsina riippuen siitä, miten sitä stimuloidaan.

”Tämän tason sopeutumiskykyä elektronisissa materiaaleissa on harvinaista nähdä”, sanoo Sreetosh Goswami. ”Tässä kemiallinen suunnittelu kohtaa laskennan, ei analogiana, vaan toimintaperiaatteena.”

Ymmärrys siitä miksi näin tapahtuu, vaati vankan teoreettisen perustan. Tiimi kehitti monikappalefysiikkaan ja kvanttikemiaan perustuvan kuljetuskehyksen, joka kykenee ennustamaan toiminnan molekyylirakenteen perusteella.

Tämän avulla he pystyivät kartoittamaan, miten elektronit kulkevat molekyylikalvon läpi, miten yksittäiset molekyylit hapettuvat ja pelkistyvät ja miten vastaionit järjestäytyvät uudelleen molekyylimatriisissa, yhdessä säädellen kytkentä- ja relaksaatiodynamiikkaa sekä kunkin molekyylitilan vakautta.

Ratkaisevasti näiden kompleksien ainutlaatuinen sopeutumiskyky mahdollistaa sekä muistin että laskennan yhdistämisen samaan materiaaliin – tämä voi johtaa neuromorfiseen laitteistoon, jossa oppiminen voidaan koodata itse materiaaliin.

Tiimi työskentelee jo tällaisten materiaalien integroimiseksi piisiruille tavoitteenaan kehittää tulevaisuuden tekoälylaitteistoa, joka on sekä tehokas että luonnostaan älykäs.

"Tämä työ osoittaa, että kemia voi olla laskennan arkkitehti, ei vain sen toimittaja", sanoo Sreebrata Goswami, CeNSE:n vieraileva tutkija ja tutkimuksen toinen kirjoittaja, joka johti kemiallista suunnittelua.

Aiheesta aiemmin:

Atomikytkimet tuovat molekyylielektroniikan lähemmäksi todellisuutta

Elektronien hallintaa molekyyleissä

Kohti molekyylielektroniikkaa