Das Material ist nicht lebendig und hat keine Strukturen, die auch nur annähernd die Komplexität des Gehirns erreichen, aber die Forscher fanden heraus, dass eine Verbindung namens Vanadiumdioxid in der Lage ist, sich an frühere äußere Reize zu erinnern.
Dies ist das erste Mal, dass eine solche Fähigkeit in einem Material offenbart wurde; aber er ist vielleicht nicht der letzte. Die Entdeckung hat ziemlich faszinierende Auswirkungen auf die Entwicklung elektronischer Geräte, insbesondere auf die Datenverarbeitung und -speicherung.
Hier berichten wir über langlebige elektronische Strukturzustände in Vanadiumdioxid, die ein Datenspeicher- und Verarbeitungsschema bieten können, schreibt eine Gruppe von Forschern der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Lausanne in der Schweiz in ihrem Artikel.
Diese funktionalen Geräte können herkömmliche Metalloxid-Halbleiter-Elektronik in Bezug auf Geschwindigkeit, Stromverbrauch und Miniaturisierung übertreffen und einen Weg zu neuromorphem Computing und geschichtetem Speicher bieten.
Vanadiumdioxid (VO2) ist ein Material, das kürzlich als Alternative oder Ergänzung zu Silizium als Basis für elektronische Geräte vorgeschlagen wurde, da es das Potenzial hat, letzteres Material als Halbleiter zu übertreffen.
Eine der faszinierendsten Eigenschaften von VO2 ist, dass es sich unterhalb von 68 Grad Celsius wie ein Isolator verhält, sich oberhalb dieser kritischen Temperatur jedoch schnell in ein hochleitfähiges Metall umwandelt.
Erst kürzlich, im Jahr 2018, haben Wissenschaftler herausgefunden, warum: Mit steigender Temperatur ändert sich die Anordnung der Atome in seinem Gitter.
Sinkt die Temperatur wieder ab, kehrt das Material in seinen ursprünglichen Isolatorzustand zurück. Die Wissenschaftler wollten ursprünglich untersuchen, wie lange VO2 braucht, um vom Isolator zum Metall und umgekehrt zu gelangen, indem sie Messungen durchführten, während es den Schalter auslöste.
Es waren diese Messungen, die etwas sehr Merkwürdiges offenbarten. Obwohl es in den gleichen ursprünglichen Zustand zurückkehrte, verhielt sich VO2, als ob es sich an kürzliche Aktivitäten erinnerte.
Bei den Experimenten wurde ein elektrischer Strom in das Material injiziert, der einem genauen Weg von einer Seite zur anderen folgte. Dieser Strom erhitzt VO2 und verursacht eine Zustandsänderung - die oben erwähnte Neuordnung der Atomstruktur. Als der Strom entfernt wurde, ordnete sich die atomare Struktur wieder neu an.
Als der Strom wieder angelegt wurde, wurde es sehr interessant.
Es scheint, dass VO2 sich an den ersten Phasenübergang erinnert und den nächsten vorwegnimmt“, erklärt die Elektroingenieurin Alison Matioli von der EPFL. Mit einem solchen Memory-Effekt hatten wir nicht gerechnet, und er hat nichts mit elektronischen Zuständen zu tun, sondern mit der physikalischen Struktur des Materials. Das ist eine neue Entdeckung: Kein anderes Material verhält sich so.
Die Arbeit der Gruppe ergab, dass VO2 mindestens drei Stunden lang einige Informationen über den zuletzt angelegten Strom gespeichert hat. Tatsächlich könnte es deutlich länger dauern, aber wir haben derzeit nicht die erforderlichen Tools, um es zu messen“, sagt Matioli.
Der Schalter ähnelt dem Verhalten von Neuronen im Gehirn, die sowohl als Speichereinheit als auch als Prozessor dienen. Das als neuromorphe Technologie bezeichnete Computing auf Basis eines solchen Systems kann einen echten Vorteil gegenüber klassischen Chips und Leiterplatten haben.
Da diese duale Eigenschaft dem Material innewohnt, scheint VO2 alle Speicheranforderungen zu erfüllen: hohes Kapazitätspotential, hohe Geschwindigkeit und Skalierbarkeit. Darüber hinaus bieten seine Eigenschaften einen Vorteil gegenüber Speichergeräten, die Daten in einem binären Format codieren, das durch elektrische Zustände gesteuert wird.
Wir haben über Dynamiken in VO2 berichtet, die auf Subnanosekunden-Zeitskalen angeregt und über mehrere Größenordnungen in der Zeit verfolgt werden können, von Mikrosekunden bis zu Stunden, schreiben die Forscher.
Somit haben unsere funktionalen Geräte das Potenzial, die ständigen Anforderungen der Elektronik in Bezug auf Skalierung, schnellen Betrieb und niedrigere Versorgungsspannungspegel zu erfüllen.
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Electronics erschienen.
2022-08-24 03:51:33
Autor: Vitalii Babkin