Efterligner hjernefunktioner med grafen-diamant-forbindelser

Den menneskelige hjerne rummer hemmeligheden bag vores unikke personligheder. Men vidste du, at det også kan danne grundlag for højeffektive computerenheder? Forskere fra Nagoya University, Japan, viste for nylig, hvordan man gør dette, gennem grafen-diamant-forbindelser, der efterligner nogle af den menneskelige hjernes funktioner.

Men, hvorfor ville videnskabsmænd forsøge at efterligne den menneskelige hjerne? I dag, eksisterende computerarkitekturer udsættes for komplekse data, begrænse deres behandlingshastighed. Den menneskelige hjerne, på den anden side, kan behandle meget komplekse data, såsom billeder, med høj effektivitet. Forskere har, derfor, forsøgte at bygge "neuromorfe" arkitekturer, der efterligner det neurale netværk i hjernen.

Et væsentligt fænomen for hukommelse og indlæring er "synaptisk plasticitet, " synapsers (neuronale links) evne til at tilpasse sig som reaktion på en øget eller nedsat aktivitet. Forskere har forsøgt at genskabe en lignende effekt ved hjælp af transistorer og "memristorer" (elektroniske hukommelsesenheder, hvis modstand kan lagres). Nyligt udviklet lyskontrolleret memristorer, eller "fotomemristorer, " kan både registrere lys og give ikke-flygtig hukommelse, ligner menneskelig visuel perception og hukommelse. Disse fremragende egenskaber har åbnet døren til en helt ny verden af ​​materialer, der kan fungere som kunstige optoelektroniske synapser!

Dette motiverede forskerholdet fra Nagoya University til at designe grafen-diamant-forbindelser, der kan efterligne egenskaberne ved biologiske synapser og vigtige hukommelsesfunktioner, åbne døre til næste generation af billedregistrerende hukommelsesenheder. I deres nylige undersøgelse offentliggjort i Kulstof , forskerne, ledet af Dr. Kenji Ueda, demonstrerede optoelektronisk styrede synaptiske funktioner ved hjælp af krydsninger mellem vertikalt justeret grafen (VG) og diamant. De fremstillede kryds efterligner biologiske synaptiske funktioner, såsom produktionen af ​​"excitatorisk postsynaptisk strøm" (EPSC) - ladningen induceret af neurotransmittere ved den synaptiske membran - når de stimuleres med optiske impulser og udviser andre grundlæggende hjernefunktioner såsom overgangen fra korttidshukommelse (STM) til langtidshukommelse. term memory (LTM).

Dr. Ueda forklarer, "Vores hjerner er veludstyrede til at gennemse den tilgængelige information og gemme det, der er vigtigt. Vi prøvede noget lignende med vores VG-diamant-arrays, som efterligner den menneskelige hjerne, når de udsættes for optiske stimuli." Han tilføjer, "Denne undersøgelse blev udløst på grund af en opdagelse i 2016, da vi fandt en stor optisk induceret ledningsevneændring i grafen-diamant-forbindelser." Bortset fra EPSC, STM, og LTM, overgangene viser også en parret pulsfacilitering på 300 % - en stigning i postsynaptisk strøm, når den er tæt forudgået af en tidligere synapse.

VG-diamant-arrayerne gennemgik redoxreaktioner induceret af fluorescerende lys og blå LED'er under en forspænding. Forskerne tilskrev dette til tilstedeværelsen af ​​forskelligt hybridiserede carbonatomer af grafen og diamant ved overgangsgrænsefladen, som førte til migrering af ioner som reaktion på lyset og igen gjorde det muligt for krydsene at udføre foto-sensing og foto-kontrollerbare funktioner svarende til dem, der udføres af hjernen og nethinden. Ud over, VG-diamant-arrays overgik ydeevnen af ​​konventionelle sjældne metal-baserede lysfølsomme materialer med hensyn til lysfølsomhed og strukturel enkelhed.

Dr. Ueda siger, "Vores undersøgelse giver en bedre forståelse af arbejdsmekanismen bag den kunstige optoelektroniske synaptiske adfærd, baner vejen for optisk kontrollerbare hjerne-efterlignende computere, bedre informationsbehandlingsevner end eksisterende computere."

Fremtiden for næste generation af computere er måske ikke for langt væk.