Même avec des décennies de développement sans précédent de la puissance de calcul, le cerveau humain détient encore de nombreux avantages par rapport aux technologies informatiques modernes. Nos cerveaux sont extrêmement efficaces pour de nombreuses tâches cognitives et ne séparent pas mémoire et informatique, contrairement aux puces informatiques standard.

Au cours de la dernière décennie, le nouveau paradigme de l'informatique neuromorphique a émergé, inspiré des réseaux de neurones du cerveau et basé sur du matériel économe en énergie pour le traitement de l'information.

Pour créer des appareils qui imitent ce qui se passe dans les neurones et les synapses de notre cerveau, les chercheurs doivent relever un défi fondamental en ingénierie moléculaire :comment concevoir des dispositifs qui présentent une transition contrôlable et économe en énergie entre différents états résistifs déclenchés par des stimuli entrants.

Dans une étude récente, des scientifiques de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago ont pu prédire les règles de conception de tels dispositifs.

Publié le 10 novembre dans Matériaux de calcul npj , l'étude a prédit de nouvelles façons de concevoir et de déclencher des changements dans les propriétés électroniques de plusieurs classes d'oxydes de métaux de transition, qui pourraient être utilisées pour former la base des architectures de calcul neuromorphiques.

"Nous avons utilisé des calculs de mécanique quantique pour démêler le mécanisme de la transition, mettant en évidence exactement comment cela se passe à l'échelle atomistique, " dit Giulia Galli, Professeur de la famille Liew à Pritzker Molecular Engineering, professeur de chimie, et co-auteur de l'étude. "Nous avons en outre conçu un modèle pour prédire comment déclencher la transition, montrant un bon accord avec les mesures disponibles."

L'impact des défauts sur les propriétés électroniques

Les chercheurs ont étudié des matériaux d'oxyde qui présentent un changement de propriétés électroniques d'un métal - qui conduit l'électricité - à un isolant - qui ne laisse pas passer l'électricité - avec diverses concentrations de défauts. Les défauts peuvent être des atomes manquants ou des impuretés qui se substituent aux atomes présents dans un cristal parfait.

Pour comprendre comment les défauts changent l'état du matériau d'un métal à un isolant, les auteurs ont calculé la structure électronique à différentes concentrations de défauts en utilisant des méthodes basées sur la mécanique quantique.

"Comprenant l'interdépendance complexe de l'accusation de ces défauts, la façon dont les atomes se réarrangent dans le matériau et la façon dont les propriétés de spin varient est cruciale pour contrôler et éventuellement déclencher la transition souhaitée, " dit Shenli Zhang, un chercheur postdoctoral UChicago et premier auteur de l'article.

"Par rapport aux semi-conducteurs traditionnels, les matériaux oxydes que nous avons étudiés nécessitent beaucoup moins d'énergie pour basculer entre deux états totalement différents :d'un métal à un isolant, " a poursuivi Zhang. " Cette caractéristique fait de ces matériaux des candidats prometteurs pour être utilisés comme neurones artificiels ou synapses artificielles pour des architectures neuromorphiques à grande échelle. "

L'étude, publié par Zhang et Galli, a été menée au sein du centre de recherche Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (QMEENC), qui est financé par le ministère de l'Énergie et dirigé par le professeur Ivan Schuller de l'UC San Diego.

« La compréhension des matériaux quantiques apportera les solutions clés à de nombreux problèmes scientifiques et technologiques, y compris la réduction de la consommation d'énergie dans les appareils de calcul, " a déclaré Schuller. " Compte tenu de la complexité des matériaux quantiques, l'approche edisonienne d'essais et d'erreurs n'est plus possible, et des théories quantitatives sont nécessaires."

De telles théories de haut niveau sont exigeantes en termes de calcul et ont été la cible d'un long travail.

« Les premiers calculs des principes jouent un rôle clé dans l'ingénierie moléculaire de l'informatique neuromorphique. Il est passionnant de voir les méthodes que nous avons développées depuis des années se concrétiser, " dit Galli.