Il cervello umano detiene il segreto delle nostre personalità uniche. Ma lo sapevi che può anche costituire la base di dispositivi informatici altamente efficienti? Ricercatori dell'Università di Nagoya, Giappone, ha recentemente mostrato come farlo, attraverso giunzioni grafene-diamante che imitano alcune delle funzioni del cervello umano.

Ma, perché gli scienziati dovrebbero cercare di emulare il cervello umano? Oggi, le architetture informatiche esistenti sono soggette a dati complessi, limitando la loro velocità di elaborazione. Il cervello umano, d'altra parte, può elaborare dati molto complessi, come immagini, con alta efficienza. Gli scienziati hanno, perciò, cercato di costruire architetture "neuromorfe" che imitano la rete neurale nel cervello.

Un fenomeno essenziale per la memoria e l'apprendimento è "plasticità sinaptica, " la capacità delle sinapsi (collegamenti neuronali) di adattarsi in risposta a un'attività aumentata o diminuita. Gli scienziati hanno cercato di ricreare un effetto simile utilizzando transistor e "memristori" (dispositivi di memoria elettronici la cui resistenza può essere memorizzata). Di recente sviluppo controllato dalla luce memristori, o "fotomemristori, " può sia rilevare la luce che fornire memoria non volatile, simile alla percezione visiva e alla memoria umana. Queste eccellenti proprietà hanno aperto le porte a un mondo completamente nuovo di materiali che possono agire come sinapsi optoelettroniche artificiali!

Ciò ha motivato il team di ricerca dell'Università di Nagoya a progettare giunzioni grafene-diamante in grado di imitare le caratteristiche delle sinapsi biologiche e le funzioni chiave della memoria, aprendo le porte ai dispositivi di memoria di rilevamento delle immagini di nuova generazione. Nel loro recente studio pubblicato su Carbonio , i ricercatori, guidato dal dottor Kenji Ueda, hanno dimostrato funzioni sinaptiche controllate optoelettronicamente utilizzando giunzioni tra grafene allineato verticalmente (VG) e diamante. Le giunzioni fabbricate imitano le funzioni sinaptiche biologiche, come la produzione di "corrente postsinaptica eccitatoria" (EPSC), la carica indotta dai neurotrasmettitori sulla membrana sinaptica, quando stimolata con impulsi ottici e mostra altre funzioni cerebrali di base come la transizione dalla memoria a breve termine (STM) alla memoria a lungo termine. memoria a termine (LTM).

Il dottor Ueda spiega, "I nostri cervelli sono ben attrezzati per setacciare le informazioni disponibili e memorizzare ciò che è importante. Abbiamo provato qualcosa di simile con i nostri array di diamanti VG, che emulano il cervello umano quando esposto a stimoli ottici." Aggiunge, "Questo studio è stato avviato a causa di una scoperta nel 2016, quando abbiamo trovato un grande cambiamento di conduttività indotto otticamente nelle giunzioni grafene-diamante." Oltre a EPSC, STM, e LTM, le giunzioni mostrano anche una facilitazione dell'impulso accoppiato del 300%, un aumento della corrente postsinaptica quando è strettamente preceduta da una sinapsi precedente.

Gli array di diamanti VG hanno subito reazioni redox indotte da luce fluorescente e LED blu sotto una tensione di polarizzazione. I ricercatori hanno attribuito questo alla presenza di atomi di carbonio diversamente ibridati di grafene e diamante all'interfaccia di giunzione, che ha portato alla migrazione di ioni in risposta alla luce e, a sua volta, ha permesso alle giunzioni di svolgere funzioni fotosensibili e fotocontrollabili simili a quelle svolte dal cervello e dalla retina. Inoltre, gli array di diamanti VG hanno superato le prestazioni dei materiali fotosensibili a base di metalli rari convenzionali in termini di fotosensibilità e semplicità strutturale.

Il dottor Ueda dice, "Il nostro studio fornisce una migliore comprensione del meccanismo di lavoro alla base dei comportamenti sinaptici optoelettronici artificiali, aprendo la strada a computer che imitano il cervello controllabili otticamente migliori capacità di elaborazione delle informazioni rispetto ai computer esistenti".

Il futuro dell'informatica di nuova generazione potrebbe non essere troppo lontano.