1月5日消息，據scitechdaily消息，在一項最新研究中，印度科學理工學院（Indian Institute of Science，IISc）的科學家們開發出一種新型的“智能”材料，這種材料能模擬人腦的功能，實現信息儲存、計算和自我適應，有望會取代傳統的晶體管。
半個多世紀以來，研究人員一直在尋找通過分子制造電子器件來超越硅的方法。這個想法聽起來簡單美好，但實際情況卻顯得雜亂無章。在工作部件內部，分子并不像教科書中整齊、孤立的片段。相反，它們形成了擁擠的互動網絡，電子移動、離子位置變化、界面隨時間變化，甚至結構上的微小差異都可能引發強烈的非線性行為。雖然潛力令人振奮，但可靠地預測和控制分子裝置的具體表現仍遙不可及。
與此同時，神經形態計算也在追求一個相關的目標。神經形態計算——受大腦工作原理啟發的硬件——旨在尋找一種能夠在同一物理物質內實時存儲信息、執行計算和適應的材料。但當今主流方法，通常基于氧化物材料和絲狀開關，仍然像是經過精心設計的系統，模擬學習，而非自然學習的材料。
由印度科學理工學院納米科學與工程中心（CeNSE）助理教授 Sreetosh Goswami 教授領導研究團隊發現的一種新型材料不僅能進行計算，還能在同一物質中進行信息儲存，這個特性使其在神經形態計算領域具有重要意義。
“通過跨越化學、物理和電氣工程，創造了微型分子器件，這些器件可被調整以承擔截然不同的角色。根據設備被刺激的方式，它可以作為記憶單元、邏輯門、選擇器、模擬處理器或電子突觸起作用。在電子材料中看到如此程度的適應性非常罕見。”Sreetosh Goswami說：“在這里，化學設計與計算相遇，不是作為類比，而是一種工作原理。”
△基于該新材料的設計的計算器件。圖片來源：CeNSE，IISc
這種靈活性來自于制造和調校設備的化學原理。研究人員制作了17個精心設計的釕配合物，隨后研究分子形狀的細微變化及周圍離子環境如何影響電子行為。通過調整釹分子周圍的配體和離子，團隊展示了一臺設備可以展現多種動態響應。例如，它甚至可以在廣泛的電導值范圍內在數字和模擬行為之間切換。
分子合成由拉馬努金研究員Pradip Ghosh和前CeNSE博士生Santi Prasad Rath完成。器件制造由第一作者、CeNSE博士生Pallavi Gaur領導?！傲钗殷@訝的是，同一系統中隱藏了如此多的多樣性，”Gaur說。“只要有合適的分子化學和環境，單個設備就能存儲信息、用它進行計算，甚至學習和遺忘。這可不是你會期待固態電子學的東西。”
解釋器件為何會有這種行為，需要分子電子學常常缺乏的東西：堅實的理論基礎。團隊構建了一個基于多體物理和量子化學的傳輸框架，能夠從分子結構預測器件功能。利用這種方法，他們追蹤了電子如何在分子膜中傳播，單個分子如何經歷氧化和還原，以及對離子在分子基質中的移動。這些過程共同塑造了開關和弛豫行為，并決定了每種分子態的穩定性。
最后得出的關鍵結論是，這些復合體的適應性使得在同一材料內結合內存和計算成為可能。這為神經形態硬件開辟了一條路徑，學習可以被編碼到材料本身。團隊已經在著手將這些材料植入硅芯片上，目標是打造既節能又具備內在智能的未來人工智能硬件。
“這項工作表明，化學不僅是其供應商，還能成為計算的建筑師，”CeNSE訪問科學家、該研究的合著者Sreebrata Goswami說，他領導了該項目的化學設計。
編輯：芯智訊-林子
