Ny molekylær enhed har hidtil uset rekonfigurerbarhed, der minder om hjernens plasticitet

I en opdagelse offentliggjort i tidsskriftet Natur, et internationalt team af forskere har beskrevet en ny molekylær enhed med enestående computerfærdighed.

Minder om plasticiteten af ​​forbindelser i den menneskelige hjerne, enheden kan rekonfigureres til forskellige beregningsopgaver ved blot at ændre påførte spændinger. Desuden, ligesom nerveceller kan lagre minder, den samme enhed kan også opbevare information til fremtidig hentning og behandling.

"Hjernen har den bemærkelsesværdige evne til at ændre sine ledninger ved at skabe og bryde forbindelser mellem nerveceller. At opnå noget sammenligneligt i et fysisk system har været ekstremt udfordrende, " sagde Dr. R. Stanley Williams, professor ved Institut for Elektro- og Computerteknik ved Texas A&M University. "Vi har nu skabt en molekylær enhed med dramatisk rekonfigurerbarhed, som ikke opnås ved at ændre fysiske forbindelser som i hjernen, men ved at omprogrammere dens logik."

Dr. T. Venkatesan, direktør for Center for Quantum Research and Technology (CQRT) ved University of Oklahoma, Scientific Affiliate ved National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, og adjungeret professor i elektro- og computerteknik ved National University of Singapore, tilføjede, at deres molekylære enhed i fremtiden kan hjælpe med at designe næste generations processeringschips med forbedret beregningskraft og hastighed, men forbruger væsentligt reduceret energi.

Uanset om det er den velkendte bærbare computer eller en sofistikeret supercomputer, digitale teknologier står over for en fælles nemesis, von Neumann flaskehalsen. Denne forsinkelse i beregningsmæssig behandling er en konsekvens af nuværende computerarkitekturer, hvori hukommelsen, indeholdende data og programmer, er fysisk adskilt fra processoren. Som resultat, computere bruger en betydelig mængde tid på at flytte information mellem de to systemer, forårsager flaskehalsen. Også, trods ekstremt høje processorhastigheder, disse enheder kan stå i tomgang i længere tid i perioder med informationsudveksling.

Som et alternativ til konventionelle elektroniske dele, der bruges til at designe hukommelsesenheder og processorer, enheder kaldet memristorer tilbyder en måde at omgå von Neumann flaskehalsen. Memristors, såsom dem lavet af niobiumdioxid og vanadiumdioxid, overgang fra at være en isolator til en leder ved en indstillet temperatur. Denne egenskab giver disse typer memristorer mulighed for at udføre beregninger og gemme data.

Imidlertid, på trods af deres mange fordele, disse metaloxid memristorer er lavet af sjældne jordarters elementer og kan kun fungere i restriktive temperaturregimer. Derfor, der har været en løbende søgning efter lovende organiske molekyler, der kan udføre en sammenlignelig membranfunktion, sagde Williams.

Dr. Sreebrata Goswami, en professor ved Indian Association for the Cultivation of Science, designet det materiale, der blev brugt i dette arbejde. Forbindelsen har et centralt metalatom (jern) bundet til tre organiske phenylazopyridinmolekyler kaldet ligander.

"Dette opfører sig som en elektronsvamp, der kan absorbere så mange som seks elektroner reversibelt, resulterer i syv forskellige redox -tilstande, " sagde Sreebrata. "Sammenkoblingen mellem disse stater er nøglen bag rekonfigurerbarheden vist i dette arbejde."

Dr. Sreetosh Goswami, en forsker ved National University of Singapore, udtænkt dette projekt ved at skabe et lille elektrisk kredsløb bestående af et 40 nanometer lag af molekylær film klemt mellem et lag guld på toppen og guldinfunderet nanodisk og indiumtinoxid i bunden.

Når der påføres en negativ spænding på enheden, Sreetosh oplevede en strøm-spændingsprofil, der ikke var noget som nogen havde set før. I modsætning til metal-oxid memristorer, der kan skifte fra metal til isolator ved kun én fast spænding, de organiske molekylære enheder kunne skifte frem og tilbage fra isolator til leder ved adskillige diskrete sekventielle spændinger.

"Så, hvis du tænker på enheden som en tænd-sluk-knap, da vi fejede spændingen mere negativ, enheden blev først tændt til slukket, derefter til tænd, derefter tændt til slukket og derefter tilbage til tændt. Jeg vil sige, at vi lige blev blæst ud af vores sæde, "sagde Venkatesan." Vi var nødt til at overbevise os selv om, at det, vi så, var ægte. "

Sreetosh og Sreebrata undersøgte de molekylære mekanismer, der ligger til grund for den nysgerrige skiftadfærd ved hjælp af en billeddannelsesteknik kaldet Raman-spektroskopi. I særdeleshed, de ledte efter spektrale signaturer i vibrationsbevægelsen af ​​det organiske molekyle, der kunne forklare de mange overgange. Deres undersøgelse afslørede, at fejning af den negative spænding udløste liganderne på molekylet til at gennemgå en række reduktioner, eller elektronindvinding, begivenheder, der fik molekylet til at skifte mellem off-tilstand og on-tilstand.

Næste, at beskrive den ekstremt komplekse strøm-spændingsprofil af den molekylære enhed matematisk, Williams afveg fra den konventionelle tilgang til grundlæggende fysikbaserede ligninger. I stedet, han beskrev molekylernes adfærd ved hjælp af en beslutningstræ-algoritme med "hvis-så-andet"-udsagn, en almindelig kodelinje i flere computerprogrammer, især digitale spil.

"Videospil har en struktur, hvor du har en karakter, der gør noget, og så sker der noget som følge heraf. Også, hvis du skriver det ud i en computeralgoritme, de er hvis-så-andet-udsagn, "sagde Williams." Her, molekylet skifter fra on til off som følge af påført spænding, og det var da jeg havde eureka-øjeblikket til at bruge beslutningstræer til at beskrive disse enheder, og det fungerede meget godt."

Men forskerne gik et skridt videre for at udnytte disse molekylære enheder til at køre programmer til forskellige regneopgaver i den virkelige verden. Sreetosh viste eksperimentelt, at deres enheder kunne udføre ret komplekse beregninger i et enkelt tidstrin og derefter blive omprogrammeret til at udføre en anden opgave i det næste øjeblik.

"Det var helt ekstraordinært; vores enhed gjorde noget i retning af, hvad hjernen gør, men på en helt anden måde, " sagde Sreetosh. "Når du lærer noget nyt, eller når du beslutter dig, hjernen kan faktisk rekonfigurere og ændre fysiske ledninger rundt. Tilsvarende vi kan logisk omprogrammere eller omkonfigurere vores enheder ved at give dem en anden spændingspuls, end de har set før."

Venkatesan bemærkede, at det ville tage tusindvis af transistorer at udføre de samme beregningsfunktioner som en af ​​deres molekylære enheder med dets forskellige beslutningstræer. Derfor, han sagde, at deres teknologi først kunne bruges i håndholdte enheder, som mobiltelefoner og sensorer, og andre applikationer, hvor strømmen er begrænset.

Andre bidragydere til forskningen omfatter Dr. Abhijeet Patra og Dr. Ariando fra National University of Singapore; Dr. Rajib Pramanick og Dr. Santi Prasad Rath fra Indian Association for the Cultivation of Science; Dr. Martin Foltin fra Hewlett Packard Enterprise, Colorado; og Dr. Damien Thompson fra University of Limerick, Irland.

Venkatesan sagde, at denne forskning er vejledende for de fremtidige opdagelser fra dette samarbejdshold, som vil omfatte centret for nanovidenskab og teknik ved Indian Institute of Science og Microsystems and Nanotechnology Division ved NIST.