Den mänskliga hjärnan har hemligheten bakom våra unika personligheter. Men visste du att det också kan utgöra grunden för högeffektiva datorenheter? Forskare från Nagoya University, Japan, visade nyligen hur man gör detta, genom grafen-diamant-korsningar som efterliknar några av den mänskliga hjärnans funktioner.

Men, varför skulle forskare försöka efterlikna den mänskliga hjärnan? I dag, existerande datorarkitekturer utsätts för komplexa data, begränsar deras bearbetningshastighet. Den mänskliga hjärnan, å andra sidan, kan behandla mycket komplexa data, som bilder, med hög effektivitet. Forskare har, därför, försökte bygga "neuromorfa" arkitekturer som efterliknar det neurala nätverket i hjärnan.

Ett fenomen som är väsentligt för minne och inlärning är "synaptisk plasticitet, " förmågan hos synapser (neuronala länkar) att anpassa sig som svar på en ökad eller minskad aktivitet. Forskare har försökt att återskapa en liknande effekt med hjälp av transistorer och "memristorer" (elektroniska minnesenheter vars motstånd kan lagras). Nyligen utvecklad ljusstyrd memristorer, eller "fotomemristorer, "kan både detektera ljus och tillhandahålla icke-flyktigt minne, liknar människans visuella perception och minne. Dessa utmärkta egenskaper har öppnat dörren till en helt ny värld av material som kan fungera som konstgjorda optoelektroniska synapser!

Detta motiverade forskargruppen från Nagoya University att designa grafen-diamant-korsningar som kan efterlikna egenskaperna hos biologiska synapser och nyckelminnesfunktioner, öppningsdörrar för nästa generations bildavkännande minnesenheter. I deras senaste studie publicerad i Kol , forskarna, ledd av Dr. Kenji Ueda, demonstrerade optoelektroniskt styrda synaptiska funktioner med kopplingar mellan vertikalt inriktad grafen (VG) och diamant. De tillverkade korsningarna efterliknar biologiska synaptiska funktioner, såsom produktionen av "excitatorisk postsynaptisk ström" (EPSC) – laddningen som induceras av neurotransmittorer vid det synaptiska membranet – när de stimuleras med optiska pulser och uppvisar andra grundläggande hjärnfunktioner såsom övergången från korttidsminne (STM) till långtidsminne. termminne (LTM).

Dr Ueda förklarar, "Våra hjärnor är väl rustade för att sålla igenom tillgänglig information och lagra det som är viktigt. Vi försökte något liknande med våra VG-diamantmatriser, som efterliknar den mänskliga hjärnan när de utsätts för optiska stimuli." Han tillägger, "Denna studie utlöstes på grund av en upptäckt 2016, när vi hittade en stor optiskt inducerad konduktivitetsförändring i grafen-diamant-övergångar." Förutom EPSC, STM, och LTM, korsningarna visar också en parad pulsfacilitering på 300 % – en ökning av postsynaptisk ström när den föregås av en tidigare synaps.

VG-diamantmatriserna genomgick redoxreaktioner inducerade av fluorescerande ljus och blå lysdioder under en förspänning. Forskarna tillskrev detta till närvaron av olika hybridiserade kol av grafen och diamant vid korsningsgränssnittet, vilket ledde till migration av joner som svar på ljuset och i sin tur gjorde det möjligt för korsningarna att utföra fotoavkännande och fotokontrollerbara funktioner liknande de som utförs av hjärnan och näthinnan. Dessutom, VG-diamantmatriserna överträffade prestandan hos konventionella sällsynta metallbaserade ljuskänsliga material när det gäller ljuskänslighet och strukturell enkelhet.

Dr Ueda säger, "Vår studie ger en bättre förståelse av arbetsmekanismen bakom de artificiella optoelektroniska synaptiska beteendena, banar väg för optiskt styrbara hjärnhärmande datorer bättre informationsbehandlingskapacitet än befintliga datorer."

Framtiden för nästa generations datorer kanske inte är alltför långt borta.