Het menselijk brein, gevoed met slechts de calorie-input van een bescheiden dieet, presteert gemakkelijk beter dan state-of-the-art supercomputers die worden aangedreven door volledige energie-invoer van stations. Het verschil komt voort uit de meerdere toestanden van hersenprocessen versus de twee binaire toestanden van digitale processors, evenals de mogelijkheid om informatie op te slaan zonder stroomverbruik - niet-vluchtig geheugen. Deze inefficiënties in de huidige conventionele computers hebben geleid tot grote belangstelling voor het ontwikkelen van synthetische synapsen voor gebruik in computers die de manier waarop de hersenen werken kunnen nabootsen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van King's College London, VK, melden in ACS Nano-letters een reeks nanostaafjes die de hersenen beter nabootsen dan ooit tevoren. De apparaten vinden mogelijk toepassingen in kunstmatige neurale netwerken.

Pogingen om biologische synapsen na te bootsen draaiden om soorten memristors met verschillende weerstandstoestanden die als geheugen werken. Echter, in tegenstelling tot de hersenen hadden de tot nu toe gerapporteerde apparaten allemaal een elektrische spanning met omgekeerde polariteit nodig om ze terug te zetten naar de oorspronkelijke staat. "In de hersenen verandert een verandering in de chemische omgeving de output, " legt Anatoly Zayats uit, een professor aan King's College London die het team achter de recente resultaten leidde. De onderzoekers van King's College London hebben dit hersenachtige gedrag nu ook in hun synaptische synapsen kunnen aantonen.

Zayats en team bouwen een reeks gouden nanostaafjes met daarop een polymeerverbinding (poly-L-histidine, PLH) op een metalen contact. Ofwel licht of een elektrische spanning kan plasmonen opwekken - collectieve oscillaties van elektronen. De plasmonen geven hete elektronen af ​​in de PLH, geleidelijk de chemie van het polymeer veranderen, en dus het veranderen om verschillende niveaus van geleidbaarheid of lichtemissie te hebben. Hoe het polymeer verandert, hangt af van of het zuurstof of waterstof omringt. Een chemisch inerte stikstof-chemische omgeving zal de toestand behouden zonder enige energie-invoer, zodat deze als niet-vluchtig geheugen fungeert.

De junctie kan zowel optisch als elektrisch worden ingesteld en gelezen of op de ene manier worden ingesteld en de andere worden gelezen, wat een grote veelzijdigheid mogelijk maakt. "Een voordeel van optische besturing is dat je draadloos kunt schakelen en het apparaat kunt uitlezen, " zegt Zayats. De voorkeur voor elektrische of optische operaties hangt af van de toepassing, maar zoals hij aangeeft, er zijn een aantal pogingen gedaan om neuromorfe circuits te creëren die berekenen zoals de hersenen doen, en als je optisch schakelen of uitlezen introduceert, kun je sneller rekenen.

De onderzoekers stuitten op het keurige synaptische gedrag van de polymeerjunctie tijdens experimenten om een ​​lichtbron op nanoschaal te ontwikkelen. Ze hadden verschillende PLH-tunnelknooppunten aangelegd, en merkte op dat de lichtbron niet stabiel was in lucht of waterstof. "Toevallig las ik een artikel over synapsen en gedachten - dat is onze lichtbron, "zegt Zayats. "Het was volkomen toeval."

De dichtheid van de synaptische nanostaafarrays die Zayats en collega's rapporteren, komt indrukwekkend dicht in de buurt van de synaptische dichtheid van de hersenen, slechts een factor duizend tekort komen. De volgende uitdaging zal zijn om een ​​manier te vinden om individuele nanostaafjes te wisselen in plaats van de hele reeks, wat hen nog een stap dichter bij het nabootsen van de hersenen zou brengen.