Forskare letar alltid efter förbättrad teknik, men den mest effektiva datorn som möjligt finns redan. Den kan lära sig och anpassa sig utan att behöva programmeras eller uppdateras. Den har nästan obegränsat minne, är svårt att krascha, och fungerar i extremt höga hastigheter. Det är inte en Mac eller en PC; det är den mänskliga hjärnan. Och forskare runt om i världen vill härma dess förmågor.

Både akademiska och industriella laboratorier arbetar med att utveckla datorer som fungerar mer som den mänskliga hjärnan. Istället för att fungera som en konventionell, digitalt system, dessa nya enheter skulle potentiellt kunna fungera mer som ett nätverk av neuroner.

"Datorer är mycket imponerande på många sätt, men de är inte lika med sinnet, sa Mark Hersam, Bette och Neison Harris ordförande i Teaching Excellence vid Northwestern Universitys McCormick School of Engineering. "Neuroner kan åstadkomma mycket komplicerade beräkningar med mycket låg strömförbrukning jämfört med en digital dator."

Ett team av nordvästra forskare, inklusive Hersam, har åstadkommit ett nytt steg framåt inom elektronik som kan föra hjärnliknande datorer närmare verkligheten. Teamets arbete utvecklar minnesmotstånd, eller "memristorer, " som är motstånd i en krets som "minns" hur mycket ström som har flytt genom dem.

Forskningen beskrivs i numret den 6 april av Naturens nanoteknik . Tobin Marks, Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi, och Lincoln Lauhon, professor i materialvetenskap och teknik, är också författare på tidningen. Vinod Sangwan, en postdoktor samrådd av Hersam, märken, och Lauhon, fungerade som första författare. De återstående medförfattarna – Deep Jariwala, I Soo Kim, och Kan-Sheng Chen – är medlemmar av Hersam, märken, och/eller Lauhon forskargrupper.

"Memristorer kan användas som ett minneselement i en integrerad krets eller dator, ", sa Hersam. "Till skillnad från andra minnen som finns idag i modern elektronik, memristorer är stabila och kommer ihåg deras tillstånd även om du tappar makten."

Nuvarande datorer använder RAM (Random Access Memory), som rör sig mycket snabbt när en användare arbetar men inte behåller osparade data om strömmen bryts. Flash-enheter, å andra sidan, lagra information när de inte har ström men fungerar mycket långsammare. Memristorer kan ge ett minne som är det bästa av två världar:snabbt och pålitligt. Men det finns ett problem:memristorer är elektroniska enheter med två terminaler, som bara kan styra en spänningskanal. Hersam ville förvandla den till en treterminalsenhet, så att den kan användas i mer komplexa elektroniska kretsar och system.

Hersam och hans team mötte denna utmaning genom att använda enskikts molybdendisulfid (MoS2), en atomärt tunn, tvådimensionell nanomaterial halvledare. Ungefär som hur fibrer är ordnade i trä, atomer är ordnade i en viss riktning - kallade "korn" - i ett material. Arket av MoS2 som Hersam använde har en väldefinierad korngräns, vilket är gränssnittet där två olika korn möts.

"Eftersom atomerna inte är i samma orientering, det finns otillfredsställda kemiska bindningar vid den gränsytan, " förklarade Hersam. "Dessa korngränser påverkar strömflödet, så att de kan fungera som ett sätt att ställa in motstånd."

När ett stort elektriskt fält appliceras, korngränsen bokstavligen flyttas, orsakar en förändring i motståndet. Genom att använda MoS2 med denna korngränsdefekt istället för den typiska metall-oxid-metall memristorstrukturen, teamet presenterade en ny tre-terminal memristiv enhet som är allmänt avstämbar med en grindelektrod.

"Med en memristor som kan ställas in med en tredje elektrod, vi har möjligheten att realisera en funktion som du tidigare inte kunde uppnå, ", sa Hersam. "En memristor med tre terminaler har föreslagits som ett sätt att förverkliga hjärnliknande beräkningar. Vi undersöker nu aktivt denna möjlighet i laboratoriet."