Un cristallo di van der Waals programmabile permette di riprodurre il funzionamento delle cellule neuronali artificiali tramite la luce
Un processo al plasma in un unico passaggio produce una sinapsi optoelettronica per una visione neuromorfica impilabile in 3D
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Un gruppo di ricerca guidato dal professor Taesung Kim della Facoltà di Ingegneria Meccanica dell’Università Sungkyunkwan (SKKU, rettore Ji-beom Yoo) ha sviluppato un dispositivo sinaptico optoelettronico che imita le funzioni dei neuroni e delle sinapsi umane su scala microelettronica. I ricercatori hanno progettato un cristallo di van der Waals (vdW) personalizzabile attraverso un processo di solforazione in un unico passaggio utilizzando plasma misto. Il dispositivo sviluppato funziona sotto stimoli ottici, offrendo una soluzione strutturale per configurare materiali semiconduttori per l’elaborazione ispirata al cervello.
I rapidi progressi nell'intelligenza artificiale e nell'iperconnettività richiedono sistemi di visione neuromorfici in grado di rilevare ed elaborare grandi quantità di dati visivi in tempo reale. Le sinapsi optoelettroniche, che mostrano variazioni di conduttanza in risposta ai segnali luminosi, fungono da componenti fondamentali di questi sistemi. I materiali vdW stratificati hanno attirato notevole attenzione come candidati promettenti grazie alle loro eccellenti proprietà ottiche e allo spessore su scala atomica. Tuttavia, i materiali vdW convenzionali presentavano alcune sfide tecniche, tra cui la difficoltà di controllare con precisione i bordi dei grani e l'intercalazione, l'accumulo di residui polimerici, la deformazione meccanica alle interfacce e la scarsa uniformità cristallina su grandi aree.
Per superare questi limiti, il team di ricerca si è concentrato sulla somiglianza strutturale tra i canali ionici fotosensibili nelle membrane biologiche e i reticoli vdW stratificati. I ricercatori hanno applicato un processo di solforazione al plasma con argon e idrogeno solforato (Ar + H₂S) al seleniuro di renio (ReSe₂) di van der Waals bulk. Questo processo in un unico passaggio ha trasformato la parte superiore del materiale in uno strato di ReSe₂ nanocristallino composto da grani di dimensioni nanometriche, preservando al contempo lo strato sottostante di ReSe₂ monocristallino senza danneggiare le interfacce interstrato. Questi due strati integrati corrispondono strutturalmente, rispettivamente, ai canali ionici fotosensibili di una membrana cellulare neuronale e all'ambiente intracellulare, e sono stati fabbricati senza ulteriori fasi di deposizione o modellazione.
Il team di ricerca ha utilizzato la microscopia a sonda di scansione (SPM) per risolvere i percorsi della migrazione ionica di S²⁻ (zolfo). I bordi di grano nello strato di ReSe₂ nanocristallino hanno confinato il trasporto ionico dello zolfo su scala atomica, consentendo un controllo deterministico sugli aggiornamenti del peso sinaptico, simile al meccanismo di gating dei canali ionici biologici. Il dispositivo ha dimostrato funzionalità sinaptiche chiave, tra cui la modulazione della conduttanza multilivello, la potenziamento/depressione a lungo termine (LTP/LTD), la facilitazione a impulsi accoppiati (PPF) e una transizione regolabile dalla memoria a breve termine a quella a lungo termine (STM-LTM). Il dispositivo in ReSe₂ nanocristallino ha mostrato un aumento del 34,7% nell'efficienza di ritenzione durante i cicli di apprendimento-dimenticanza-riapprendimento rispetto al ReSe₂ bulk. Nelle valutazioni a livello di sistema, il dispositivo ha eseguito con successo il rilevamento dei bordi su immagini naturali e ha raggiunto un'accuratezza di classificazione del 96,24% nel compito di riconoscimento delle immagini CIFAR-10. Questo sviluppo offre una piattaforma di materiali per i semiconduttori neuromorfici di prossima generazione e l'hardware di intelligenza artificiale.
"Questo studio dimostra un metodo in un unico passaggio per progettare la struttura dei cristalli di van der Waals per dispositivi sinaptici optoelettronici che apprendono e memorizzano informazioni utilizzando la luce", ha affermato il professor Taesung Kim, autore corrispondente dello studio. "Risolvendo strutturalmente la natura casuale della migrazione ionica e i problemi interfacciali inerenti ai dispositivi convenzionali, questa architettura può essere applicata alla ricerca sui semiconduttori neuromorfici di prossima generazione e sull'hardware di IA."
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Pubblicazione originale
Jinhyoung Lee, Gunhyoung Kim, Dongho Lee, Seowoo Son, Hyunho Seok, Sihoon Son, Hyunbin Choi, Geonwook Kim, Geumji Back, Hyunkyu Kim, Chaerin Park, Junmin Ahn, Seongyun Je, Chaeyoung Im, Junil Cho, Magdalena Grzeszczyk, Seongho Kim, Eunseo Go, Hyunwoo Shim, Donghwan Choi, Muyoung Kim, Hyoeng‐U. Kim, Won‐Jun Jang, Taesung Kim; "Designable van der Waals Crystal for Artificial Neuronal Cell Mimicking"; Advanced Materials, 2026-6-3
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