Zelfs met decennia van ongekende ontwikkeling in rekenkracht, het menselijk brein heeft nog steeds veel voordelen ten opzichte van moderne computertechnologieën. Onze hersenen zijn uiterst efficiënt voor veel cognitieve taken en scheiden geheugen en computergebruik niet, in tegenstelling tot standaard computerchips.

In het laatste decennium, het nieuwe paradigma van neuromorphic computing is ontstaan, geïnspireerd door neurale netwerken van de hersenen en gebaseerd op energiezuinige hardware voor informatieverwerking.

Om apparaten te maken die nabootsen wat er gebeurt in de neuronen en synapsen van onze hersenen, onderzoekers moeten een fundamentele uitdaging op het gebied van moleculaire engineering overwinnen:hoe apparaten te ontwerpen die een beheersbare en energie-efficiënte overgang vertonen tussen verschillende resistieve toestanden die worden veroorzaakt door inkomende stimuli.

In een recente studie, wetenschappers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de Universiteit van Chicago waren in staat om ontwerpregels voor dergelijke apparaten te voorspellen.

Gepubliceerd op 10 november in npj Computational Materials , de studie voorspelde nieuwe manieren van engineering en veroorzaakte veranderingen in elektronische eigenschappen in verschillende klassen van overgangsmetaaloxiden, die kunnen worden gebruikt om de basis te vormen van neuromorfe computerarchitecturen.

"We hebben kwantummechanische berekeningen gebruikt om het mechanisme van de overgang te ontrafelen, precies benadrukken hoe het gebeurt op de atomistische schaal, " zei Giulia Galli, Liew Family Professor bij Pritzker Molecular Engineering, hoogleraar scheikunde, en co-auteur van de studie. "We hebben verder een model bedacht om te voorspellen hoe de transitie kan worden geactiveerd, goede overeenstemming met de beschikbare metingen laten zien."

De impact van defecten op elektronische eigenschappen

De onderzoekers onderzochten oxidematerialen die een verandering van elektronische eigenschappen vertonen van een metaal - dat elektriciteit geleidt - naar een isolator - die geen elektriciteit doorlaat - met verschillende concentraties defecten. Defecten kunnen ontbrekende atomen zijn of sommige onzuiverheden die de atomen in een perfect kristal vervangen.

Om te begrijpen hoe defecten de toestand van het materiaal veranderen van een metaal in een isolator, de auteurs berekenden de elektronische structuur bij verschillende defectconcentraties met behulp van methoden op basis van kwantummechanica.

"Inzicht in de ingewikkelde onderlinge afhankelijkheid van de beschuldiging van deze gebreken, de manier waarop atomen zich herschikken in het materiaal en de manier waarop spin-eigenschappen variëren, is cruciaal voor het beheersen en uiteindelijk activeren van de gewenste overgang, " zei Shenli Zhang, een UChicago postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van het artikel.

"Vergeleken met traditionele halfgeleiders, de oxidematerialen die we hebben bestudeerd, hebben veel minder energie nodig om te schakelen tussen twee totaal verschillende toestanden:van een metaal naar een isolator, "Vervolgde Zhang. "Deze eigenschap maakt deze materialen veelbelovende kandidaten om te worden gebruikt als kunstmatige neuronen of kunstmatige synapsen voor grootschalige neuromorfe architecturen."

De studie, uitgegeven door Zhang en Galli, werd uitgevoerd binnen het onderzoekscentrum Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (QMEENC), die wordt gefinancierd door het Department of Energy en geleid door Prof. Ivan Schuller aan UC San Diego.

"Het begrijpen van kwantummaterialen zal de belangrijkste oplossingen bieden voor veel wetenschappelijke en technologische problemen, inclusief de vermindering van het energieverbruik in computerapparatuur, " zei Schuller. "Gezien de complexiteit van kwantummaterialen, de Edisoniaanse benadering van vallen en opstaan ​​niet langer haalbaar is, en kwantitatieve theorieën nodig zijn."

Dergelijke theorieën op hoog niveau zijn rekenkundig veeleisend en zijn het doelwit geweest van een lange reeks werk.

"Eerste principes-berekeningen spelen een sleutelrol bij het aansturen van de moleculaire engineering van neuromorfisch computergebruik. Het is opwindend om te zien dat de methoden die we jarenlang hebben ontwikkeld, tot wasdom komen, ' zei Galli.