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

Het menselijk brein slaat informatie niet op als een harde schijf van een computer. In plaats daarvan vertrouwt het op een uitgestrekt netwerk van verbindingen tussen zenuwcellen, waarbij de sterkte van elke verbinding kan veranderen op basis van ervaring. Dit vermogen om verbindingen in de loop van de tijd te versterken of te verzwakken wordt plasticiteit genoemd, en het is de fysieke basis van leren en geheugen. Sommige verbindingen veranderen onmiddellijk maar vervagen snel, waardoor we een telefoonnummer enkele seconden in ons hoofd kunnen houden. Andere veranderen langzaam en blijven jarenlang bestaan, waardoor onze langetermijnkennis wordt gevormd. Om computers te bouwen die meer als mensen denken, proberen wetenschappers elektronische apparaten te creëren die dit flexibele gedrag kunnen nabootsen. De uitdaging ligt in het maken van deze apparaten die eenvoudig, goedkoop en in staat zijn om veel verschillende staten van geheugen vast te houden, in plaats van alleen de eenvoudige aan/uit-schakelaars die in de huidige technologie worden gebruikt.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Missouri heeft een belangrijke stap gezet richting dit doel door een nieuw type elektronische schakelaar te creëren dat opmerkelijk veel lijkt op een biologische synaps. Ze bouwden een transistor, een fundamenteel onderdeel van de moderne elektronica, met behulp van een speciaal organisch plastic materiaal. Om dit apparaat zijn geheugen te geven, plaatsten ze een laag minuscule platina deeltjes, elk kleiner dan één nanometer, tussen twee ultradunne lagen aluminiumoxide. Deze opstelling bevindt zich precies op de grens waar het plastic de isolerende laag ontmoet. Het resultaat is een apparaat dat informatie voor een lange tijd kan onthouden, maar ook effecten van kortetermijngeheugen kan vertonen die cruciaal zijn voor complex denken. Wat deze ontdekking bijzonder opvallend maakt, is dat de piepkleine platina deeltjes de stroom van elektriciteit doen gedragen op een manier die de kwantumfysica nabootst, een fenomeen dat normaal gesproken alleen wordt gezien bij temperaturen nabij het absolute nulpunt, maar hier op kamertemperatuur plaatsvindt.

De onderzoekers construeerden deze apparaten met een bottom-gate ontwerp, waarbij een metalen poort aan de basis zit, bedekt met een ferro-elektrische plastic laag die een elektrische lading kan vasthouden. Hierop groeiden ze een precieze laag aluminiumoxide, plaatsten de platina deeltjes en dekten het af met een andere dunne laag aluminiumoxide. Ten slotte voegden ze een laag van een halfgeleidend plastic genaamd DPP-DTT en metalen contacten toe om het circuit te voltooien. Toen ze deze transistors testten, ontdekten ze iets onverwachts. Terwijl ze de spanning op en neer bewogen, veranderde de stroom die door het apparaat liep niet geleidelijk. In plaats daarvan bewoog het in duidelijke stappen, met vlakke regio's gevolgd door scherpe pieken. Deze plateaus en pieken zijn kenmerken van een kwantumeffect dat bekend staat als Coulomb-blokkade, waarbij de piepkleine deeltjes weerstand bieden tegen het doorlaten van elektronen totdat een specifieke hoeveelheid energie is bereikt. Omdat de platina deeltjes zo klein zijn, fungeren ze als individuele eilanden die enkele elektronen kunnen vangen, waardoor discrete gehevelen ontstaan die zeer goed van elkaar gescheiden zijn.

Dit kwantumgedrag vertaalt zich naar een zeer groot en stabiel geheugenvlak. Het apparaat kan worden geschakeld tussen verschillende geleidingsstaten, die verschillende geheugenwaarden vertegenwoordigen, met een spanningsbereik van meer dan 20 volt. Dit is veel groter dan wat gewoonlijk wordt gezien in soortgelijke organische apparaten. De onderzoekers observeerden dat de platina deeltjes een negatieve lading konden vasthouden, wat de spanning die nodig is om de transistor aan te zetten effectief verschuift. Wanneer de spanning wordt gewijzigd, laten de deeltjes elektronen gecontroleerd los of vangen ze deze op, wat de duidelijke stappen in de stroom creëert. Het team merkte ook op dat de afstand tussen de stroompieken regelmatig was, wat suggereert dat de deeltjes op een verenigde manier gedrag vertoonden, bijna alsof ze een enkel blad van lading vormden dat het elektrische veld in een voorspelbaar patroon afschermde.

Naast zijn elektrische geheugen vertoonde het apparaat een opmerkelijk vermogen om te worden geprogrammeerd door licht. Wanneer de onderzoekers een groene of blauwe laser op de transistor scheen, nam de stroom door het apparaat toe, waardoor er effectief nieuwe informatie in het apparaat werd geschreven. Dit komt omdat het licht extra ladingsdragers in de plastic laag creëert, waarvan sommige door de platina deeltjes worden gevangen. Om deze informatie te wissen, pasten ze een specifieke elektrische puls toe op de gate, die de gevangen ladingen vrijgaf. Deze dubbele capaciteit zorgt ervoor dat hetzelfde apparaat met licht kan worden beschreven en met elektriciteit kan worden gewist, wat nabootst hoe biologische synapsen door verschillende soorten signalen kunnen worden beïnvloed. De onderzoekers testten dit door het apparaat te gebruiken om handgeschreven cijfers te herkennen uit een standaarddatabase. Wanneer het systeem werd getraind met de door licht geïnduceerde veranderingen, bereikte het een nauwkeurigheid van ongeveer 83 procent, wat aantoont dat de geheugenstatussen stabiel en bruikbaar waren voor complexe taken.

Misschien wel de meest opwindende bevinding voor toekomstige breinachtige computers was het vermogen van het apparaat om korte-termijn plasticiteit te vertonen. In de biologie, als twee signalen in snelle opeenvolging bij een synaps aankomen, produceert het tweede signaal vaak een sterkere reactie dan het eerste. Dit wordt gepaard-puls facilitatie genoemd. De onderzoekers testten dit door twee lichtpulsen met een zeer korte tussenpoos op het apparaat te laten flitsen. Ze ontdekten dat de tweede reactie meer dan twee keer zo sterk was als de eerste, een niveau van facilitatie dat overeenkomt met biologische synapsen. Dit korte-termijn effect vervaagde binnen enkele seconden, net als in de hersenen, wat suggereert dat de gevangen ladingen langzaam terugkeren naar hun oorspronkelijke staat. Het apparaat kon daarom zowel langetermijngeheugen aan, dat gedurende een lange tijd blijft bestaan, als kortetermijngeheugen, dat essentieel is voor het verwerken van onmiddellijke informatie.

De studie sluit de mogelijkheid uit dat deze effecten worden veroorzaakt door eenvoudige defecten of willekeurige ruis. De controleapparaten, die de platina deeltjes misten, vertoonden geen van deze gedragingen. Ze hadden geen geheugenvlak, geen stroompieken en geen korte-termijn plasticiteit. Dit bevestigt dat de unieke eigenschappen rechtstreeks voortkomen uit de geconstrueerde laag van platina nanodeeltjes. De onderzoekers ontdekten ook dat de grootte van de deeltjes ertoe deed; iets grotere deeltjes produceerden een andere afstand in de stroomstappen, wat in lijn is met theoretische voorspellingen over hoe de energieniveaus van deze minuscule clusters veranderen met de grootte. De consistentie van de resultaten over verschillende apparaten heen suggereert dat de methode voor het creëren van deze lagen robuust en herhaalbaar is.

Door een groot geheugenvlak, kwantumachtig transport en duale programmering te combineren, opent dit werk een nieuwe weg voor neuromorfische computing. Het apparaat bewijst dat organische materialen, die vaak als te ongeordend worden beschouwd voor precieze kwantumeffecten, kunnen worden ontworpen om een hoog gecontroleerde ladingopvang te ondersteunen. Het vermogen om zowel licht als elektriciteit te gebruiken om de geheugenstatussen te controleren, biedt een veelzijdig platform voor toekomstige systemen. Hoewel de huidige apparaten nog in de onderzoeksfase zitten, suggereert de demonstratie van zowel langetermijn- als kortetermijnplasticiteit in één enkel, eenvoudig component dat we dichter bij het bouwen van elektronische systemen komen die kunnen leren en zich kunnen aanpassen op een manier die de natuurlijke wereld weerspiegelt. De bevindingen suggereren dat, met verdere verfijning, deze materialen de bouwstenen kunnen worden voor computers die niet alleen krachtig zijn, maar ook efficiënt en in staat zijn om de complexe, vloeiende aard van het menselijk denken aan te kunnen.