I en upptäckt publicerad i tidningen Natur, ett internationellt team av forskare har beskrivit en ny molekylär enhet med exceptionell datorförmåga.

Påminner om plasticiteten hos anslutningar i den mänskliga hjärnan, enheten kan omkonfigureras i farten för olika beräkningsuppgifter genom att helt enkelt ändra applicerade spänningar. Vidare, som nervceller kan lagra minnen, samma enhet kan också behålla information för framtida hämtning och bearbetning.

"Hjärnan har den anmärkningsvärda förmågan att ändra sina ledningar genom att skapa och bryta förbindelser mellan nervceller. Att uppnå något jämförbart i ett fysiskt system har varit extremt utmanande, " sa Dr. R. Stanley Williams, professor vid Institutionen för el- och datateknik vid Texas A&M University. "Vi har nu skapat en molekylär enhet med dramatisk omkonfigurerbarhet, som inte uppnås genom att ändra fysiska förbindelser som i hjärnan, men genom att omprogrammera dess logik. "

Dr T. Venkatesan, chef för Center for Quantum Research and Technology (CQRT) vid University of Oklahoma, Scientific Affiliate vid National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, och adjungerad professor i elektro- och datorteknik vid National University of Singapore, tillade att deras molekylära enhet i framtiden kan hjälpa till att designa nästa generations processchips med förbättrad beräkningskraft och hastighet, men förbrukar avsevärt minskad energi.

Oavsett om det är den välbekanta bärbara datorn eller en sofistikerad superdator, digital teknik står inför en vanlig fiende, von Neumann -flaskhalsen. Denna fördröjning i beräkningsprocess är en konsekvens av nuvarande datorarkitekturer, där minnet, innehållande data och program, är fysiskt separerad från processorn. Som ett resultat, datorer lägger en betydande tid på att växla information mellan de två systemen, orsakar flaskhalsen. Också, trots extremt snabba processorhastigheter, dessa enheter kan stå på tomgång under längre tidsperioder under informationsutbyte.

Som ett alternativ till konventionella elektroniska delar som används för att designa minnesenheter och processorer, enheter som kallas memristorer erbjuder ett sätt att kringgå von Neumanns flaskhals. Memristors, såsom de gjorda av niobdioxid och vanadindioxid, övergång från att vara en isolator till en ledare vid en inställd temperatur. Denna egenskap ger dessa typer av memristorer möjligheten att utföra beräkningar och lagra data.

Dock, trots deras många fördelar, dessa metalloxidmemristorer är gjorda av sällsynta jordartsmetaller och kan endast fungera i restriktiva temperaturregimer. Därav, det har pågått en pågående sökning efter lovande organiska molekyler som kan utföra en jämförbar memristiv funktion, sa Williams.

Dr Sreebrata Goswami, en professor vid Indian Association for the Cultivation of Science, designat materialet som används i detta arbete. Föreningen har en central metallatom (järn) bunden till tre organiska fenylazopyridinmolekyler som kallas ligander.

"Detta beter sig som en elektronsvamp som kan absorbera så många som sex elektroner reversibelt, resulterar i sju olika redoxtillstånd, "sa Sreebrata." Kopplingen mellan dessa tillstånd är nyckeln bakom den omkonfigurerbarhet som visas i detta arbete. "

Dr Sreetosh Goswami, en forskare vid National University of Singapore, utarbetade detta projekt genom att skapa en liten elektrisk krets som består av ett 40 nanometers lager av molekylär film inklämt mellan ett lager av guld på toppen och guldinfunderad nanodskiva och indiumtennoxid i botten.

När en negativ spänning appliceras på enheten, Sreetosh bevittnade en strömspänningsprofil som inte var något som någon tidigare sett. Till skillnad från metalloxidmembran som kan byta från metall till isolator med endast en fast spänning, de organiska molekylära enheterna kunde växla fram och tillbaka från isolator till ledare vid flera diskreta sekventiella spänningar.

"Så, om du tänker på enheten som en på / av-omkopplare, när vi svepte spänningen mer negativ, enheten slogs först från på till av, sedan av till på, sedan på till av och sedan tillbaka till på. Jag säger att vi bara blåste ur vår plats, " sa Venkatesan. "Vi var tvungna att övertyga oss själva om att det vi såg var verkligt."

Sreetosh och Sreebrata undersökte de molekylära mekanismerna bakom det märkliga växlingsbeteendet med hjälp av en avbildningsteknik som kallas Raman-spektroskopi. Särskilt, de letade efter spektralsignaturer i den organiska molekylens vibrationsrörelse som kunde förklara de flera övergångarna. Deras undersökning avslöjade att svepning av spänningsnegativet triggade liganderna på molekylen att genomgå en rad reduktioner, eller få elektroner, händelser som fick molekylen att övergå mellan avstängt tillstånd och tillstånd.

Nästa, att beskriva den extremt komplexa ström-spänningsprofilen hos den molekylära enheten matematiskt, Williams avvek från det konventionella tillvägagångssättet med grundläggande fysikbaserade ekvationer. Istället, han beskrev molekylernas beteende med hjälp av en beslutsträdalgoritm med "if-then-else" påståenden, en vanlig kodrad i flera datorprogram, särskilt digitala spel.

"Videospel har en struktur där du har en karaktär som gör något, och sedan händer något som ett resultat. Och så, om du skriver ut det i en datoralgoritm, de är om-då-annat uttalanden, " sa Williams. "Här, molekylen växlar från till och från som en följd av applicerad spänning, och det var då jag hade eureka-ögonblicket att använda beslutsträd för att beskriva dessa enheter, och det fungerade väldigt bra."

Men forskarna gick ett steg längre för att utnyttja dessa molekylära enheter för att köra program för olika verkliga beräkningsuppgifter. Sreetosh visade experimentellt att deras enheter kunde utföra ganska komplexa beräkningar i ett enda tidssteg och sedan omprogrammeras för att utföra en annan uppgift i nästa ögonblick.

"Det var ganska extraordinärt; vår enhet gjorde något i stil med vad hjärnan gör, men på ett helt annat sätt, " sa Sreetosh. "När du lär dig något nytt eller när du bestämmer dig, hjärnan kan faktiskt omkonfigurera och ändra fysiska ledningar runt. Liknande, vi kan logiskt omprogrammera eller omkonfigurera våra enheter genom att ge dem en annan spänningspuls än de har sett förut. "

Venkatesan noterade att det skulle ta tusentals transistorer för att utföra samma beräkningsfunktioner som en av deras molekylära enheter med dess olika beslutsträd. Därav, han sa att deras teknik först kan användas i handhållna enheter, som mobiltelefoner och sensorer, och andra applikationer där strömmen är begränsad.

Andra bidragsgivare till forskningen inkluderar Dr Abhijeet Patra och Dr Ariando från National University of Singapore; Dr Rajib Pramanick och Dr Santi Prasad Rath från Indian Association for the Cultivation of Science; Dr. Martin Foltin från Hewlett Packard Enterprise, Colorado; och Dr Damien Thompson från University of Limerick, Irland.

Venkatesan sa att denna forskning är en indikation på framtida upptäckter från detta samarbetsteam, som kommer att omfatta centrum för nanovetenskap och teknik vid Indian Institute of Science och Microsystems and Nanotechnology Division vid NIST.