Coulomb blockade-like transport and enhanced memory in organic transistors embedded with sub-nm Pt nanoparticles for neuromorphic computing

لا يخزن الدماغ البشري المعلومات مثل القرص الصلب للكمبيوتر. بدلاً من ذلك، يعتمد على شبكة واسعة من الروابط بين الخلايا العصبية، حيث يمكن لقوة كل رابط أن تتغير بناءً على الخبرة. وتسمى هذه القدرة على تقوية أو إضعاف الروابط بمرور الوقت "اللدونة"، وهي الأساس المادي للتعلم والذاكرة. بعض هذه الروابط تتغير فوراً ولكنها تتلاشى بسرعة، مما يسمح لنا بحفظ رقم هاتف في أذهاننا لبضع ثوانٍ. بينما تتغير روابط أخرى ببطء وتستمر لسنوات، لتشكل معرفتنا طويلة المدى. ولبناء حواسيب تفكر بشكل يشبه البشر، يحاول العلماء إنشاء أجهزة إلكترونية يمكنها محاكاة هذا السلوك المرن. ويكمن التحدي في جعل هذه الأجهزة بسيطة، ورخيصة، وقادرة على حمل حالات ذاكرة مختلفة عديدة، بدلاً من مجرد مفاتيح التشغيل والإيقاف البسيطة المستخدمة في التكنولوجيا الحالية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة ميسوري خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال ابتكار نوع جديد من المفاتيح الإلكترونية التي تتصرف بشكل يشبه إلى حد كبير المشبك البيولوجي (السينابس). لقد صنعوا ترانزستوراً، وهو مكون أساسي في الإلكترونيات الحديثة، باستخدام مادة بلاستيكية عضوية خاصة. ولإعطاء هذا الجهاز ذاكرته، قاموا بإدخال طبقة من جزيئات البلاتين المتناهية الصغر، والتي يقل حجم كل منها عن نانومتر واحد، محصورة بين طبقتين فائقتا الرقة من أكسيد الألمنيوم. يقع هذا الترتيب تماماً عند الحد الفاصل حيث يلتقي البلاستيك بالطبقة العازلة. والنتي نتيجة لذلك، حصلوا على جهاز يمكنه تذكر المعلومات لفترة طويلة، ولكنه يظهر أيضاً تأثيرات ذاكرة قصيرة المدى، وهي ضرورية للتفكير المعقد. وما يجعل هذا الاكتشاف مثيراً للإعجاب بشكل خاص هو أن جزيئات البلاتين الصغيرة تجعل تدفق الكهرباء يتصرف بطريقة تشبه فيزياء الكم، وهي ظاهرة لا تُرى عادة إلا في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، ومع ذلك تحدث هنا في درجة حرارة الغرفة.

قام الباحثون ببناء هذه الأجهزة باستخدام تصميم "البوابة السفلية" (bottom-gate)، حيث توجد بوابة معدنية في القاعدة، مغطاة بطبقة بلاستيكية "فيروكهربائية" (ferroelectric) يمكنها حفظ شحنة كهربائية. وفوق هذه الطبقة، قاموا بتنمية طبقة دقيقة من أكسيد الألمنيوم، ثم وضعوا جزيئات البلاتين، وغطوها بطبقة أخرى رقيقة من أكسيد الألمنيوم. وأخيراً، أضافوا طبقة من بلاستيك شبه موصل يسمى (DPP-DTT) وتوصيلات معدنية لإكمال الدائرة. وعندما اختبروا هذه الترانزستورات، وجدوا شيئاً غير متوقع؛ فبينما كانوا يغيرون الجهد الكهربائي صعوداً وهبوطاً، لم يتغير التيار المتدفق عبر الجهاز بسلاسة، بل تحرك في خطوات متميزة، مع وجود مناطق مسطحة تليها طفرات حادة. هذه الهضبات والطفرات هي علامات على تأثير كمي يُعرف باسم "حجز كولوم" (Coulomb blockade)، حيث تقاوم الجزيئات الصغيرة السماح للإلكترونات بالمرور حتى يتم الوصول إلى قدر معين من الطاقة. ولأن جزيئات البلاتين صغيرة جداً، فإنها تعمل كجزر فردية يمكنها حبس إلكترونات منفردة، مما يخلق مستويات ذاكرة منفصلة ومتباعدة جداً عن بعضها البعض.

تترجم سلوك الكم هذا إلى نافذة ذاكرة كبيرة ومستقرة للغاية. يمكن للجهاز أن ينتقل بين حالات توصيل مختلفة، تمثل قيم ذاكرة مختلفة، بنطاق جهد يزيد عن 20 فولت، وهو أكبر بكثير مما يُرى عادة في الأجهزة العضوية المماثلة. لاحظ الباحثون أن جزيئات البلاتिन يمكنها حمل شحنة سالبة، مما يؤدي فعلياً إلى تغيير الجهد المطلوب لتشغيل الترانزستور. وعند تغيير الجهد، تقوم الجزيئات بتحرير أو التقاط الإلكترونات بطريقة محكومة، مما يخلق الخطوات المتميزة في التيار. كما لاحظ الفريق أن المسافات بين طفرات التيار كانت منتظمة، مما يشير إلى أن الجزيئات كانت تتصرف بطريقة موحدة، وكأنها ورقة شحن واحدة تحجب المجال الكهربائي في نمط يمكن التنبؤ به.

وبعيداً عن ذاكرتها الكهربائية، أظهر الجهاز قدرة رائعة على البرمجة بواسطة الضوء. فعندما سلط الباحثون ليزر أخضر أو أزرق على الترانزستور، زاد تدفق التيار، مما أدى فعلياً إلى كتابة معلومات جديدة في الجهاز. ويرجع ذلك إلى أن الضوء يخلق حاملات شحنة إضافية في الطبقة البلاستيكية، والتي يتم حبس بعضها بواسطة جزيئات البلاتين. ولمسح هذه المعلومات، طبقوا نبضة كهربائية محددة على البوابة، مما أدى إلى تحرير الشحنات المحبوسة. وتسمح هذه القدرة المزدوجة لنفس الجهاز بالكتابة بالضوء والمسح بالكهرباء، مما يحاكي كيفية تأثر المشابك البيولوجية بأنواع مختلفة من الإشارات. وقد اختبر الباحثون ذلك باستخدام الجهاز للتعرف على الأرقام المكتوبة بخط اليد من قاعدة بيانات قياسية، وعند تدريبه باستخدام التغييرات المستحثة بالضوء، حقق النظام دقة تبلغ حوالي 83 بالمائة، مما أثبت أن حالات الذاكرة كانت مستقرة ومفيدة للمهام المعقدة.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة لأجهزة الكمبيوتر المستقبلية الشبيهة بالدماغ هو قدرة الجهاز على إظهار "اللدونة قصيرة المدى". في البيولوجيا، إذا وصلت إشارتان إلى المشبك في تتابع سريع، فإن الإشارة الثانية غالباً ما تنتج استجابة أقوى من الأولى، وهذا ما يسمى "التسهيل بالنبض المزدوج" (paired-pulse facilitation). وقد اختبر الباحثون ذلك عبر تسليط نبضتي ضوء على الجهاز مع وجود فجوة زمنية قصيرة جداً بينهما، ووجدوا أن الاستجابة الثانية كانت أقوى بأكثر من ضعفي الاستجابة الأولى، وهو مستوى من التسهيل يطابق المشابك البيولوجية. وقد تلاشى هذا التأثير قصير المدى خلال بضع ثوانٍ، تماماً كما يحدث في الدماغ، مما يشير إلى أن الشحنات المحبوسة كانت تسترخي ببطء عائدة إلى حالتها الأصلية. وبالتالي، يمكن للجهاز التعامل مع كل من الذاكرة طويلة المدى، التي تستمر لفترة طويلة، والذاكرة قصيرة المدى، الضرورية لمعالجة المعلومات الفورية.

وتدحض الدراسة فكرة أن هذه التأثيرات ناتجة عن عيوب بسيطة أو ضوضاء عشوائية؛ فقد أظهرت الأجهزة الضابطة، التي تفتقر إلى جزيئات البلاتين، عدم وجود أي من هذه السلوكيات، حيث لم تكن تمتلك نافذة ذاكرة، ولا طفرات تيار، ولا لدونة قصيرة المدى. وهذا يؤكد أن الخصائص الفريدة تأتي مباشرة من طبقة جزيئات البلاتين النانوية المصممة. كما وجد الباحثون أن حجم الجزيئات كان مهماً؛ حيث أنتجت الجزيئات الأكبر قليلاً مسافات مختلفة في خطوات التيار، بما يتماشى مع التوقعات النظرية حول كيفية تغير مستويات الطاقة لهذه التجمعات الصغيرة مع تغير الحجم. وتشير اتساق النتائج عبر الأجهزة المختلفة إلى أن طريقة إنشاء هذه الطبقات قوية وقابلة للتكرار.

من خلال الجمع بين نافذة ذاكرة كبيرة، ونقل يشبه الكم، وبرمجة ثنائية النمط، يفتح هذا العمل مساراً جديداً للحوسبة العصبية (neuromorphic computing). يثبت الجهاز أن المواد العضوية، التي غالباً ما تُعتبر غير منظمة جداً لدعم تأثيرات الكم الدقيقة، يمكن هندستها لدعم احتجاز الشحنات بشكل محكوم للغاية. إن القدرة على استخدام الضوء والكهرباء معاً للتحكم في حالات الذاكرة توفر منصة متعددة الاستخدامات للأنظمة المستقبلية. وبينما لا تزال الأجهزة الحالية في مرحلة البحث، فإن إثبات كل من اللدونة طويلة المدى وقصيرة المدى في مكون واحد بسيط يشير إلى أننا نقترب من بناء أنظمة إلكترونية يمكنها التعلم والتكيف بطرق تحاكي العالم الطبيعي. وتوحي النتائج أنه مع المزيد من التطوير، يمكن لهذه المواد أن تصبح اللبنات الأساسية لحواسيب ليست قوية فحسب، بل أيضاً فعالة وقادرة على التعامل مع الطبيعة المعقدة والمتغيرة للفكر البشري.