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

मानव मस्तिष्क कंप्यूटर हार्ड ड्राइव की तरह जानकारी संग्रहीत नहीं करता है। इसके बजाय, यह तंत्रिका कोशिकाओं के बीच संबंधों के एक विशाल नेटवर्क पर निर्भर करता है, जहाँ प्रत्येक लिंक की शक्ति अनुभव के आधार पर बदल सकती है। समय के साथ इन कनेक्शनों को मजबूत या कमजोर करने की इस क्षमता को प्लास्टिसिटी (plasticity) कहा जाता है, और यह सीखने और याद रखने का भौतिक आधार है। कुछ संबंध तुरंत बदलते हैं लेकिन जल्दी ही फीके पड़ जाते हैं, जिससे हम कुछ सेकंड के लिए फोन नंबर को अपने मन में रख पाते हैं। अन्य धीरे-धीरे बदलते हैं और वर्षों तक चलते हैं, जो हमारे दीर्घकालिक ज्ञान का निर्माण करते हैं। मनुष्यों की तरह सोचने वाले कंप्यूटर बनाने के लिए, वैज्ञानिक ऐसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो इस लचीले व्यवहार की नकल कर सकें। चुनौती इन उपकरणों को सरल, सस्ता और वर्तमान तकनीक में उपयोग किए जाने वाले साधारण 'ऑन या ऑफ' स्विच के बजाय कई अलग-अलग मेमोरी अवस्थाओं को धारण करने में सक्षम बनाने में निहित है।

मिज़ूरी विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया प्रकार का इलेक्ट्रॉनिक स्विच बनाकर इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है, जो जैविक सिनैप्स (synapse) की तरह व्यवहार करता है। उन्होंने एक ट्रांजिस्टर बनाया, जो आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का एक मौलिक घटक है, जिसे एक विशेष कार्बनिक प्लास्टिक सामग्री का उपयोग करके बनाया गया है। इस उपकरण को अपनी स्मृति देने के लिए, उन्होंने दो अल्ट्रा-थिन एल्युमीनियम ऑक्साइड की शीटों के बीच प्लैटिनम के सूक्ष्म कणों की एक परत डाली, जिनमें से प्रत्येक एक नैनोमीटर से भी छोटा है। यह व्यवस्था ठीक उस सीमा पर स्थित है जहाँ प्लास्टिक, इन्सुलेटिंग परत से मिलता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसा उपकरण प्राप्त हुआ जो लंबे समय तक जानकारी याद रख सकता है, लेकिन जटिल सोच के लिए आवश्यक अल्पकालिक स्मृति प्रभाव भी प्रदर्शित कर सकता है। इस खोज को जो बात विशेष रूप से उल्लेखनीय बनाती है वह यह है कि ये सूक्ष्म प्लैटिनम कण बिजली के प्रवाह को इस तरह से संचालित करते हैं जो क्वांटम भौतिकी के समान है, एक ऐसी घटना जो आमतौर पर परम शून्य (absolute zero) के तापमान के करीब देखी जाती है, फिर भी यहाँ यह कमरे के तापमान पर होती है।

शोधकर्ताओं ने इन उपकरणों का निर्माण 'बॉटम-गेट' डिज़ाइन का उपयोग करके किया, जहाँ एक धातु का गेट आधार पर स्थित होता है, जो एक फेरोइलेक्ट्रिक प्लास्टिक परत से ढका होता है जो विद्युत आवेश धारण कर सकती है। इसके ऊपर, उन्होंने एल्युमीनियम ऑक्साइड की एक सटीक परत विकसित की, प्लैटिनम कणों को जमा किया, और इसे एल्युमीनियम ऑक्साइड की एक अन्य पतली परत से ढक दिया। अंत में, सर्किट को पूरा करने के लिए उन्होंने DPP-DTT नामक एक अर्धचालक प्लास्टिक की एक परत और धातु के संपर्कों (contacts) को जोड़ा। जब उन्होंने इन ट्रांजिस्टर का परीक्षण किया, तो उन्हें एक अप्रत्याशित परिणाम मिला। जैसे ही उन्होंने वोल्टेज को ऊपर-नीचे किया, उपकरण के माध्यम से बहने वाली धारा सुचारू रूप से नहीं बदली। इसके बजाय, यह स्पष्ट चरणों में चली, जिसमें सपाट क्षेत्रों के बाद तीखे स्पाइक्स (spikes) आए। ये पठार (plateaus) और स्पाइक्स 'कूलम्ब ब्लॉकेड' (Coulomb blockade) नामक एक क्वांटम प्रभाव के संकेत हैं, जहाँ सूक्ष्म कण इलेक्ट्रॉनों को गुजरने से तब तक रोकते हैं जब तक कि एक विशिष्ट ऊर्जा स्तर तक नहीं पहुँच जाता। क्योंकि प्लैटिनम कण बहुत छोटे हैं, वे व्यक्तिगत द्वीपों की तरह कार्य करते हैं जो एकल इलेक्ट्रॉनों को फँसा सकते हैं, जिससे स्मृति के अलग-अलग स्तर बनते हैं जो एक-दूसरे से बहुत अच्छी तरह से अलग हैं।

यह क्वांटम व्यवहार एक बहुत बड़े और स्थिर मेमोरी विंडो में परिवर्तित होता है। उपकरण को विभिन्न कंडक्टेंस अवस्थाओं (conductance states) के बीच स्विच किया जा सकता है, जो अलग-अलग मेमोरी मानों का प्रतिनिधित्व करते हैं, जिसका वोल्टेज रेंज 20 वोल्ट से अधिक है। यह आमतौर पर समान कार्बनिक उपकरणों में देखे जाने वाले स्तर से बहुत अधिक है। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्लैटिनम कण एक नकारात्मक आवेश धारण कर सकते हैं, जो प्रभावी रूप से ट्रांजिस्टर को चालू करने के लिए आवश्यक वोल्टेज को बदल देता है। जब वोल्टेज बदला जाता है, तो कण नियंत्रित तरीके से इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते या पकड़ते हैं, जिससे धारा में स्पष्ट चरण उत्पन्न होते हैं। टीम ने यह भी देखा कि करंट स्पाइक्स के बीच की दूरी नियमित थी, जो यह सुझाव देती है कि कण एक एकीकृत तरीके से व्यवहार कर रहे थे, मानो वे एक एकल चार्ज शीट की तरह हों जो एक अनुमानित पैटर्न में विद्युत क्षेत्र को स्क्रीन (screen) करती है।

अपनी विद्युत स्मृति के अलावा, इस उपकरण ने प्रकाश द्वारा प्रोग्राम किए जाने की उल्लेखनीय क्षमता दिखाई। जब शोधकर्ताओं ने ट्रांजिस्टर पर हरा या नीला लेजर चमकाया, तो करंट का प्रवाह बढ़ गया, जिससे प्रभावी रूप से उपकरण में नई जानकारी लिखी गई। ऐसा इसलिए है क्योंकि प्रकाश प्लास्टिक की परत में अतिरिक्त चार्ज वाहक (charge carriers) बनाता है, जिनमें से कुछ प्लैटिनम कणों द्वारा पकड़ लिए जाते हैं। इस जानकारी को मिटाने के लिए, उन्होंने गेट पर एक विशिष्ट विद्युत पल्स लगाया, जिसने फंसे हुए आवेशों को मुक्त कर दिया। यह दोहरी क्षमता एक ही उपकरण को प्रकाश के साथ लिखने और बिजली के साथ मिटाने की अनुमति देती है, जो इस बात की नकल करती है कि कैसे जैविक सिनैप्स विभिन्न प्रकार के संकेतों से प्रभावित हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने एक मानक डेटाबेस से हस्तलिखित संख्याओं को पहचानने के लिए इस उपकरण का उपयोग करके इसका परीक्षण किया। प्रकाश-प्रेरित परिवर्तनों के साथ प्रशिक्षित होने पर, सिस्टम ने लगभग 83 प्रतिशत की सटीकता प्राप्त की, जो यह दर्शाता कि मेमोरी अवस्थाएँ स्थिर और जटिल कार्यों के लिए उपयोगी थीं।

शायद भविष्य के मस्तिष्क-समान कंप्यूटरों के लिए सबसे रोमांचक खोज उपकरण की 'शॉर्ट-टर्म प्लास्टिसिटी' (short-term plasticity) प्रदर्शित करने की क्षमता थी। जीव विज्ञान में, यदि दो संकेत एक सिनैप्स पर त्वरित क्रम में पहुँचते हैं, तो दूसरा संकेत अक्सर पहले की तुलना में अधिक मजबूत प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है। इसे 'पेयर्ड-पल्स फैसिलिटेशन' (paired-pulse facilitation) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने डिवाइस पर दो प्रकाश पल्स को बहुत कम अंतराल के साथ चमकाकर इसका परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि दूसरा रिस्पॉन्स पहले की तुलना में दोगुने से भी अधिक मजबूत था, जो जैविक सिनैप्स के समान एक स्तर का सुगमता (facilitation) है। यह अल्पकालिक प्रभाव कुछ सेकंड में फीका पड़ गया, ठीक वैसे ही जैसे मस्तिष्क में होता है, जो यह सुझाव देता है कि फंसे हुए आवेश धीरे-धीरे अपनी मूल स्थिति में वापस लौट रहे थे। इसलिए उपकरण दीर्घकालिक स्मृति (जो लंबे समय तक बनी रहती है) और अल्पकालिक स्मृति (जो तत्काल सूचना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक है), दोनों को संभाल सकता है।

यह अध्ययन इस विचार को खारिज करता है कि ये प्रभाव साधारण दोषों या रैंडम शोर के कारण हैं। नियंत्रण उपकरण (control devices), जिनमें प्लैटिनम कण नहीं थे, इनमें से कोई भी व्यवहार नहीं दिखा। उनमें कोई मेमोरी विंडो, कोई करंट स्पाइक्स या शॉर्ट-टर्म प्लास्टिसिटी नहीं थी। यह पुष्टि करता है कि अद्वितीय गुण सीधे इंजीनियर की गई प्लैटिनम नैनोपार्टिकल्स की परत से आते हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि कणों का आकार मायने रखता था; थोड़े बड़े कणों ने करंट स्टेप्स में अलग अंतराल उत्पन्न किया, जो इन सूक्ष्म क्लस्टर्स के ऊर्जा स्तरों में आकार के साथ होने वाले परिवर्तन के बारे संबंधी सैद्धांतिक भविष्यवाणियों के अनुरूप है। विभिन्न उपकरणों में परिणामों की निरंतरता यह सुझाव देती है कि इन परतों को बनाने की विधि मजबूत और दोहराने योग्य है।

विद्युत चालकता (large memory window), क्वांटम-जैसे परिवहन और दोहरे मोड प्रोग्रामिंग को जोड़कर, यह कार्य न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग के लिए एक नया मार्ग खोलता है। यह उपकरण सिद्ध करता है कि कार्बनिक सामग्रियाँ, जिन्हें अक्सर सटीक क्वांटम प्रभावों के लिए बहुत अव्यवस्थित माना जाता है, अत्यधिक नियंत्रित चार्ज ट्रैपिंग का समर्थन करने के लिए इंजीनियर की जा सकती हैं। मेमोरी अवस्थाओं को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश और बिजली दोनों का उपयोग करने की क्षमता भविष्य के सिस्टम के लिए एक बहुमुखी मंच प्रदान करती है। हालांकि वर्तमान उपकरण अभी भी अनुसंधान के चरण में हैं, लेकिन एक ही सरल घटक में दीर्घकालिक और अल्पकालिक प्लास्टिसिटी दोनों का प्रदर्शन यह सुझाव देता है कि हम ऐसे इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम बनाने के करीब पहुँच रहे हैं जो प्राकृतिक दुनिया की तरह सीख और अनुकूलित हो सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि और अधिक सुधार के साथ, ये सामग्रियाँ उन कंप्यूटरों के निर्माण खंड बन सकती हैं जो न केवल शक्तिशाली हैं बल्कि कुशल भी हैं और मानव विचार की जटिल, तरल प्रकृति को संभालने में सक्षम हैं।