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

Il cervello umano non memorizza le informazioni come un disco rigido di un computer. Al contrario, si affida a una vasta rete di connessioni tra cellule nervose, dove la forza di ogni legame può cambiare in base all'esperienza. Questa capacità di rafforzare o indebolire le connessioni nel tempo è chiamata plasticità, ed è la base fisica dell'apprendimento e della memoria. Alcune connessioni cambiano istantaneamente ma svaniscono rapidamente, permettendoci di tenere a mente un numero di telefono per pochi secondi. Altre cambiano lentamente e durano per anni, formando la nostra conoscenza a lungo termine. Per costruire computer che pensino più come gli essali, gli scienziati stanno cercando di creare dispositivi elettronici in grado di imitare questo comportamento flessibile. La sfida risiede nel rendere questi dispositivi semplici, economici e capaci di contenere molti diversi stati di memoria, piuttosto che i semplici interruttori on/off utilizzati nella tecnologia attuale.

Un team di ricercatori dell'Università del Missouri ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo creando un nuovo tipo di interruttore elettronico che si comporta in modo sorprendente simile a una sinapsi biologica. Hanno costruito un transistor, un componente fondamentale dell'elettronica moderna, utilizzando un materiale plastico organico speciale. Per conferire a questo dispositivo la sua memoria, hanno inserito uno strato di minuscole particelle di platino, ciascuna più piccola di un singolo nanometro, incastrate tra due fogli ultra-sottili di ossido di alluminio. Questa disposizione si trova proprio al confine dove la plastica incontra lo strato isolante. Il risultato è un dispositivo che può ricordare le informazioni per molto tempo, ma che può anche mostrare effetti di memoria a breve termine, cruciali per il pensiero complesso. Ciò che rende questa scoperta particolarmente sorprendente è che le minuscole particelle di platino causano un comportamento del flusso di elettricità che ricorda la fisica quantistica, un fenomeno che di solito si osserva solo a temperature vicine allo zero assoluto, eppure qui accade a temperatura ambiente.

I ricercatori hanno costruito questi dispositivi utilizzando un design a gate inferiore (bottom-gate), dove un gate metallico si trova alla base, coperto da uno strato di plastica ferroelettrica che può trattenere una carica elettrica. Sopra di esso, hanno fatto crescere uno strato preciso di ossido di alluminio, depositato le particelle di platino e lo hanno sigillato con un altro sottile strato di ossido di alluminio. Infine, hanno aggiunto uno strato di una plastica semiconduttrice chiamata DPP-DTT e contatti metallici per completare il circuito. Quando hanno testato questi transistor, hanno riscontrato qualcosa di inaspettato. Mentre facevano scorrere la tensione su e giù, la corrente che fluiva attraverso il dispositivo non cambiava in modo fluido. Inve al contrario, si muoveva per scatti distinti, con regioni piatte seguite da picchi acuti. Questi plateau e picchi sono firme di un effetto quantistico noto come blocco di Coulomb, in cui le minuscole particelle resistono al passaggio di elettroni finché non viene raggiunta una specifica quantità di energia. Poiché le particelle di platino sono così piccole, agiscono come isole individuali che possono intrappolare singoli elettroni, creando livelli discreti di memoria che sono molto ben separati l'uno dall'altro.

Questo comportamento quantistico si traduce in una finestra di memoria molto ampia e stabile. Il dispositivo può essere commutato tra diversi stati di conduttanza, che rappresentano diversi valori di memoria, con un intervallo di tensione superiore a 20 volt. Questo è molto più grande di quanto si veda tipicamente in dispositivi organici simili. I ricercatori hanno osservato che le particelle di platino potevano trattenere una carica negativa, il che sposta efficacemente la tensione necessaria per accendere il transistor. Quando la tensione viene variata, le particelle rilasciano o catturano elettroni in modo controllato, creando i distinti scatti nella corrente. Il team ha anche notato che la spaziatura tra i picchi di corrente era regolare, suggerendo che le particelle si comportassero in modo unificato, quasi come se fossero un unico foglio di carica che schermava il campo elettrico secondo un modello prevedibile.

Oltre alla sua memoria elettrica, il dispositivo ha mostrato una straordinaria capacità di essere programmato dalla luce. Quando i ricercatori hanno proiettato un laser verde o blu sul transistor, il flusso di corrente aumentava, scrivendo di fatto nuove informazioni nel dispositivo. Questo accade perché la luce crea ulteriori portatori di carica nello strato plastico, alcuni dei quali vengono intrappolati dalle particelle di platino. Per cancellare queste informazioni, hanno applicato un impulso elettrico specifico al gate, che ha rilasciato le cariche intrappolate. Questa doppia capacità permette allo stesso dispositivo di essere scritto con la luce e cancellato con l'elettricità, imitando il modo in cui le sinapsi biologiche possono essere influenzate da diversi tipi di segnali. I ricercatori hanno testato questo aspetto utilizzando il dispositivo per riconoscere numeri scritti a mano da un database standard. Quando addestrato con i cambiamenti indotti dalla luce, il sistema ha raggiunto un'accuratezza di circa l'83 percento, dimostrando che gli stati di memoria erano stabili e utili per compiti complessi.

Forse la scoperta più entusiasmante per i futuri computer simili al cervello è stata la capacità del dispositivo di esibire una plasticità a breve termine. In biologia, se due segnali arrivano a una sinapsi in rapida successione, il secondo segnale produce spesso una risposta più forte del primo. Questo è chiamato facilitazione a impulsi accoppiati. I ricercatori hanno testato questo aspetto facendo lampeggiare due impulsi di luce al dispositivo con un intervallo brevissimo tra loro. Hanno scoperto che la seconda risposta era più del doppio rispetto alla prima, un livello di facilitazione che corrisponde alle sinapsi biologiche. Questo effetto a breve termine svaniva in pochi secondi, proprio come avviene nel cervello, suggerendo che le cariche intrappolate si stessero rilassando lentamente verso il loro stato originale. Il dispositivo poteva quindi gestire sia la memoria a lungo termine, che persiste per molto tempo, sia la memoria a breve termine, essenziale per l'elaborazione delle informazioni immediate.

Lo studio esclude l'idea che questi effetti siano causati da semplici difetti o rumore casuale. I dispositivi di controllo, che mancavano delle particelle di platino, non mostravano alcuno di questi comportamenti. Non presentavano alcuna finestra di memoria, nessun picco di corrente e nessuna plasticità a breve termine. Ciò conferma che le proprietà uniche derivano direttamente dallo strato ingegnerizzato di nanoparticelle di platino. I ricercatori hanno anche scoperto che la dimensione delle particelle era importante; particelle leggermente più grandi producevano una diversa spaziatura nei passi di corrente, allineandosi alle previsioni teoriche su come i livelli di energia di questi minuscoli cluster cambino con la dimensione. La coerenza dei risultati in diversi dispositivi suggerisce che il metodo di creazione di questi strati sia robusto e ripetibile.

Combinando una grande finestra di memoria, un trasporto di tipo quantistico e una programmazione a doppia modalità, questo lavoro apre una nuova strada per la computazione neuromorfica. Il dispositivo dimostra che i materiali organici, spesso considerati troppo disordinati per supportare precisi effetti quantistici, possono essere ingegnerizzati per supportare un intrappolamento di carica altamente controllato. La capacità di utilizzare sia la luce che l'elettricità per controllare gli stati di memoria offre una piattaforma versatile per i futuri sistemi. Sebbene i dispositivi attuali siano ancora in fase di ricerca, la dimostrazione di plasticità sia a lungo che a breve termine in un singolo componente semplice suggerisce che ci stiamo avvicinando alla costruzione di sistemi elettronici in grado di apprendere e adattarsi in modi che rispecchiano il mondo naturale. Le scoperte suggeriscono che, con un ulteriore perfezionamento, questi materiali potrebbero diventare i mattoni per computer che non siano solo potenti, ma anche efficienti e capaci di gestire la natura complessa e fluida del pensiero umano.