Кодирование адаптивного интеллекта в молекулярной материи путем замысла

Более 50 лет ученые искали альтернативу кремнию для создания молекулярной электроники. Видение было элегантным; реальность оказалась гораздо более сложной. Внутри устройства молекулы ведут себя не как упорядоченные объекты из учебника, а как плотно взаимодействующие системы, в которых текут электроны, перераспределяются ионы, развиваются границы раздела, и даже незначительные структурные изменения могут вызывать сильно нелинейные реакции. Обещание было убедительным, однако прогнозирующий контроль оставался недостижимым.

Между тем, нейроморфные вычисления — аппаратное обеспечение, вдохновленное мозгом — преследуют параллельную цель: найти материал, который сможет хранить информацию, выполнять вычисления и адаптироваться в пределах одного и того же физического субстрата и в реальном времени. Однако сегодняшние доминирующие платформы, в основном основанные на оксидных материалах и нитевидных переключающих механизмах, продолжают вести себя как инженерные машины, имитирующие обучение, а не как материя, которая по своей сути его воплощает.

Новое исследование Индийского института науки (IISc) опубликовано в Расширенные материалы предполагает, что эти две давние проблемы могут наконец сойтись.

В сотрудничестве, охватывающем химию, физику и электротехнику, команда под руководством Шритоша Госвами, доцента Центра нанонауки и инженерии (CeNSE), создала крошечные молекулярные устройства, которые можно настроить для выполнения различных функций. Одно и то же устройство может вести себя как блок памятилогический вентиль, селектор, аналоговый процессор или электронный синапс, в зависимости от того, как он стимулируется.

«Редко можно увидеть адаптивность такого уровня в электронных материалах», — говорит Шритош Госвами. «Здесь химический дизайн встречается с вычислениями не как аналогия, а как принцип работы».

Это изменение формы основано на уникальной химии, используемой для создания и настройки этих устройств. Команда синтезировала 17 тщательно разработанных рутениевые комплексы и проанализировали, как мельчайшие изменения в молекулярной геометрии и ионном окружении влияют на поведение электронов. Тщательно настроив лиганды и ионы, расположенные вокруг молекул рутения, авторы показали, что одно и то же устройство может демонстрировать множество типов динамического поведения — например, переключение с цифрового на аналоговое — в широком диапазоне значений проводимости.

Молекулярный синтез провели Прадип Гош, научный сотрудник Рамануджана и Санти Прасад Рат, бывший доктор философии. студент CeNSE. Изготовлением устройства руководил Паллави Гаур, первый автор и доктор философии. студент CeNSE. «Что меня удивило, так это то, насколько много универсальности скрыто в одной и той же системе», — говорит Гаур. «При правильном молекулярном химическом составе и окружающей среде одно устройство может хранить информацию, выполнять с ее помощью вычисления или даже учиться и разучиваться. Это не то, чего вы ожидаете от твердотельной электроники».

Понимание того, почему это происходит, потребовало давно отсутствующего элемента в молекулярной электронике: строгой теоретической основы. Команда разработала транспортная структура основан на физике многих тел и квантовой химии и способен предсказывать функции на основе молекулярной структуры. Это позволило им составить карту того, как электроны пересекают молекулярную пленку, как отдельные молекулы подвергаются окислению и восстановлению и как противоионы перестраиваются внутри молекулярной матрицы, вместе управляя динамикой переключения и релаксации, а также стабильностью каждого молекулярного состояния.

Важно отметить, что уникальная адаптируемость этих комплексов позволяет объединить память и вычисления в одном материале — это может привести к нейроморфное оборудование в котором обучение может быть закодировано в самом материале. Команда уже работает над интеграцией таких материалов в кремниевые чипы с целью разработки будущего оборудования искусственного интеллекта, которое будет одновременно эффективным и интеллектуальным.

«Эта работа показывает, что химия может быть архитектором вычислений, а не только их поставщиком», — говорит Шрибрата Госвами, приглашенный учёный в CeNSE и соавтор исследования, который руководил химическим дизайном.