Op het brein geïnspireerde nanotechnologie biedt een nieuw pad voor slimmere elektronica

Stel je een toekomst voor waarin je telefoon, computer of zelfs een klein draagbaar apparaatje kan denken en leren als het menselijk brein: informatie sneller, slimmer verwerken en minder energie verbruiken.

Een nieuwe aanpak ontwikkeld aan de Flinders University en UNSW Sydney brengt deze visie dichter bij de realiteit door een enkele ferro-elektrische domeinmuur op nanoschaal elektrisch te “draaien”.

De domeinmuren zijn bijna onzichtbare, extreem kleine (1–10 nm) grenzen die van nature ontstaan ​​of zelfs kunnen worden geïnjecteerd of gewist in speciale isolerende kristallen die ferro-elektrische materialen worden genoemd. De domeinmuren binnen deze kristallen scheiden gebieden met verschillende gebonden ladingsoriëntaties.

Belangrijker nog is dat deze kleine grenzen, ondanks dat ze zijn ingebed in isolerende kristallen, kunnen fungeren als kanalen voor het reguleren van de elektronenstroom, en dus in staat zijn om informatie op te slaan en te verwerken zoals in het menselijk brein, zegt Dr. Pankaj Sharma, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Flinders University. hoofd- en corresponderende auteur van het nieuwe artikel gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces.

Waarom doet dit er toe? Apparaten die het menselijk brein nabootsen, maken een snellere verwerking van grote hoeveelheden informatie mogelijk, terwijl ze veel minder energie verbruiken in vergelijking met bestaande digitale computers, met name voor taken als beeld- en stemherkenning, zeggen de onderzoekers.

“Met dit nieuwe ontwerp zijn deze ferro-elektrische domeinmuren in kristallijne ferro-elektrische materialen klaar om een ​​nieuwe generatie aanpasbare geheugenapparaten van stroom te voorzien, waardoor we dichter bij snellere, groenere en slimmere elektronica komen”, zegt Dr. Sharma. “Onze resultaten bevestigen opnieuw de belofte van ferro-elektrische domeinmuren voor door de hersenen geïnspireerde neuromorfe en in-memory computertoepassingen op basis van geïntegreerde ferro-elektrische apparaten.

“In ons onderzoek is één enkele ferro-elektrische domeinmuur controleerbaar geïnjecteerd en ontworpen om het memristorgedrag na te bootsen. Door elektrische velden toe te passen, manipuleren we zorgvuldig de vorm en positie van deze enkele muur, waardoor deze buigt en kromtrekt.

“Deze gecontroleerde beweging leidt tot veranderingen in de elektronische eigenschappen van de muur, waardoor het vermogen wordt ontgrendeld om gegevens op verschillende niveaus op te slaan en te verwerken.”

De nieuwe studie onthult hoe ferro-elektrische domeinmuren die zich over twee eindapparaten bevinden, kunnen functioneren als ‘memristors’ – apparaten die informatie op verschillende niveaus kunnen opslaan en de geschiedenis van de elektrische activiteit ervan kunnen onthouden – vergelijkbaar met synapsen in het menselijk brein.

Co-auteur UNSW-professor Jan Seidel zegt: “De sleutel ligt in de wisselwerking tussen de vastzetting van het oppervlak van de muur (waar deze vastzit) en de vrijheid om dieper in het materiaal te draaien of kromtrekken.

“Deze gecontroleerde wendingen creëren een spectrum van elektronische toestanden, maken gegevensopslag op meerdere niveaus mogelijk en elimineren de noodzaak van herhaalde injectie of verwijdering van muren, waardoor de apparaten stabieler en betrouwbaarder worden”, zegt hij.

Met behulp van geavanceerde microscopie en theoretische faseveldmodellering onthult dit onderzoek de fysica achter deze door kromtrekken geïnduceerde elektronische overgangen aan de domeinmuren.

Co-auteur UNSW-professor Valanoor Nagarajan voegt hieraan toe: “Deze nieuwe, zeer reproduceerbare en energiezuinige domeinmuurapparaten kunnen een revolutie teweegbrengen in neuromorfe computing, de op de hersenen geïnspireerde systemen die beloven kunstmatige intelligentie en gegevensverwerking opnieuw vorm te geven.”