In una scoperta pubblicata sulla rivista Natura, un team internazionale di ricercatori ha descritto un nuovo dispositivo molecolare con eccezionali capacità di calcolo.

Ricordando la plasticità delle connessioni nel cervello umano, il dispositivo può essere riconfigurato al volo per diverse attività di calcolo semplicemente cambiando le tensioni applicate. Per di più, come le cellule nervose possono immagazzinare ricordi, lo stesso dispositivo può anche conservare le informazioni per il recupero e l'elaborazione futuri.

"Il cervello ha la straordinaria capacità di cambiare il suo cablaggio creando e interrompendo le connessioni tra le cellule nervose. Raggiungere qualcosa di paragonabile in un sistema fisico è stato estremamente impegnativo, " ha detto il dottor R. Stanley Williams, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Texas A&M University. "Ora abbiamo creato un dispositivo molecolare con una straordinaria riconfigurabilità, che si ottiene non cambiando le connessioni fisiche come nel cervello, ma riprogrammando la sua logica."

Dott. T. Venkatesan, direttore del Center for Quantum Research and Technology (CQRT) presso l'Università dell'Oklahoma, Affiliato scientifico presso l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, Gaithersburg, e professore a contratto di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università Nazionale di Singapore, ha aggiunto che il loro dispositivo molecolare potrebbe in futuro aiutare a progettare chip di elaborazione di prossima generazione con maggiore potenza e velocità di calcolo, ma consumando energia notevolmente ridotta.

Che si tratti del familiare laptop o di un sofisticato supercomputer, le tecnologie digitali affrontano una nemesi comune, il collo di bottiglia di von Neumann. Questo ritardo nell'elaborazione computazionale è una conseguenza delle attuali architetture dei computer, in cui la memoria, contenente dati e programmi, è fisicamente separato dal processore. Di conseguenza, i computer trascorrono una notevole quantità di tempo a trasferire le informazioni tra i due sistemi, causando il collo di bottiglia. Anche, nonostante le velocità del processore estremamente elevate, queste unità possono rimanere inattive per lunghi periodi di tempo durante i periodi di scambio di informazioni.

In alternativa alle parti elettroniche convenzionali utilizzate per la progettazione di unità di memoria e processori, dispositivi chiamati memristori offrono un modo per aggirare il collo di bottiglia di von Neumann. Memristori, come quelli a base di biossido di niobio e biossido di vanadio, passaggio dall'essere un isolante a un conduttore a una temperatura impostata. Questa proprietà offre a questi tipi di memristori la capacità di eseguire calcoli e memorizzare dati.

Però, nonostante i loro numerosi vantaggi, questi memristori di ossido di metallo sono costituiti da elementi di terre rare e possono funzionare solo a regimi di temperatura restrittivi. Quindi, c'è stata una ricerca continua di molecole organiche promettenti che possono svolgere una funzione memristiva comparabile, disse Williams.

Dott.ssa Sreebrata Goswami, un professore presso l'Associazione indiana per la coltivazione della scienza, progettato il materiale utilizzato in questo lavoro. Il composto ha un atomo di metallo centrale (ferro) legato a tre molecole organiche di fenil azo piridina chiamate ligandi.

"Questo si comporta come una spugna elettronica che può assorbire fino a sei elettroni in modo reversibile, risultando in sette diversi stati redox, " ha detto Sreebrata. "L'interconnessione tra questi stati è la chiave dietro la riconfigurabilità mostrata in questo lavoro".

Dott. Sreetosh Goswami, un ricercatore presso l'Università Nazionale di Singapore, ha ideato questo progetto creando un minuscolo circuito elettrico costituito da uno strato di 40 nanometri di pellicola molecolare inserito tra uno strato d'oro sulla parte superiore e un nanodisco infuso d'oro e ossido di indio e stagno nella parte inferiore.

Applicando una tensione negativa sul dispositivo, Sreetosh ha assistito a un profilo di tensione di corrente che nessuno aveva mai visto prima. A differenza dei memristori di ossido di metallo che possono passare dal metallo all'isolante con una sola tensione fissa, i dispositivi molecolari organici potrebbero passare avanti e indietro dall'isolante al conduttore a diverse tensioni sequenziali discrete.

"Così, se pensi al dispositivo come un interruttore on-off, mentre stavamo spazzando la tensione più negativa, il dispositivo è stato prima acceso e spento, poi via su su, poi acceso su spento e poi di nuovo acceso. Dirò che siamo appena stati spazzati via dal nostro posto, " disse Venkatesan. "Dovevamo convincerci che quello che stavamo vedendo era reale."

Sreetosh e Sreebrata hanno studiato i meccanismi molecolari alla base del curioso comportamento di commutazione utilizzando una tecnica di imaging chiamata spettroscopia Raman. In particolare, hanno cercato firme spettrali nel movimento vibrazionale della molecola organica che potessero spiegare le molteplici transizioni. La loro indagine ha rivelato che spazzare la tensione negativa ha innescato i ligandi sulla molecola per subire una serie di riduzioni, o acquisizione di elettroni, eventi che hanno causato la transizione della molecola tra gli stati off e on.

Prossimo, descrivere matematicamente il profilo corrente-tensione estremamente complesso del dispositivo molecolare, Williams ha deviato dall'approccio convenzionale delle equazioni di base basate sulla fisica. Anziché, ha descritto il comportamento delle molecole utilizzando un algoritmo ad albero decisionale con dichiarazioni "if-then-else", una comune riga di codice in diversi programmi per computer, in particolare i giochi digitali.

"I videogiochi hanno una struttura in cui hai un personaggio che fa qualcosa, e poi succede qualcosa di conseguenza. E così, se lo scrivi in ​​un algoritmo informatico, sono affermazioni if-then-else, " disse Williams. "Ecco, la molecola passa da on a off come conseguenza della tensione applicata, ed è stato allora che ho avuto il momento di usare gli alberi decisionali per descrivere questi dispositivi, e ha funzionato molto bene".

Ma i ricercatori hanno fatto un ulteriore passo avanti per sfruttare questi dispositivi molecolari per eseguire programmi per diversi compiti computazionali del mondo reale. Sreetosh ha mostrato sperimentalmente che i loro dispositivi potrebbero eseguire calcoli abbastanza complessi in un unico passaggio temporale e quindi essere riprogrammati per eseguire un'altra attività nell'istante successivo.

"È stato abbastanza straordinario; il nostro dispositivo stava facendo qualcosa di simile a quello che fa il cervello, ma in un modo molto diverso, " ha detto Sreetosh. "Quando stai imparando qualcosa di nuovo o quando stai decidendo, il cervello può effettivamente riconfigurare e modificare i cablaggi fisici. Allo stesso modo, possiamo riprogrammare o riconfigurare logicamente i nostri dispositivi dando loro un impulso di tensione diverso da quello che hanno visto prima."

Venkatesan ha notato che ci vorrebbero migliaia di transistor per eseguire le stesse funzioni computazionali di uno dei loro dispositivi molecolari con i suoi diversi alberi decisionali. Quindi, ha detto che la loro tecnologia potrebbe essere utilizzata per la prima volta nei dispositivi portatili, come cellulari e sensori, e altre applicazioni in cui la potenza è limitata.

Altri contributori alla ricerca includono il Dr. Abhijeet Patra e il Dr. Ariando della National University of Singapore; Dr. Rajib Pramanick e Dr. Santi Prasad Rath dell'Associazione indiana per la coltivazione della scienza; Dott. Martin Foltin della Hewlett Packard Enterprise, Colorado; e il dottor Damien Thompson dell'Università di Limerick, Irlanda.

Venkatesan ha affermato che questa ricerca è indicativa delle future scoperte di questo team collaborativo, che includerà il centro di nanoscienza e ingegneria presso l'Indian Institute of Science e la Microsystems and Nanotechnology Division presso il NIST.