它並不是活的,且甚至沒有接近大腦複雜度的結構,但是研究人員發現,一種稱作二氧化釩(vanadium dioxideVO2)的化合物能夠「記得」過去的外部刺激。

新發現

這是第一次,在一種材料中辨識出這種能力,但這可能不會是最後一個。這項發現可能會對電子設備的研發,具有相當有趣的意涵,尤其是在資料處理以及儲存方面。

由瑞士洛桑聯邦理工學院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne,EPFL)的電機工程師穆罕默德·薩米查德·尼可博士(Mohammad Samizadeh Nikoo)所領導的研究員團隊寫到:「在此,我們報導了,在 VO2 當中有電子上可取得的長存結構狀態,可以提供資料儲存與處理上的方案。」

他說:「這些像玻璃的功能性設備,在速度、能量消耗、及小型化方面,都可能能勝過典型的金屬氧化物半導體電子產品,且能夠提供仿神經型態電腦(neuromorphic computation)與多值記憶體(multilevel memories)的一條路徑。」

材料性質

VO2 是一種近年來被建議用來作為矽的替代或是補體的材料,用來作為電子設備的基礎,這是因為它具有勝過矽作為半導體材料的潛力。

VO2 最有趣的性質之一是,在攝氏 68 度之下,它表現如同絕緣體,但是在那個臨界溫度之上的話,它會很突然地轉變為金屬,具有良好導電性。這個轉變稱作金屬-絕緣體轉換(metal-insulator transition)。

一直到最近 2018 年,科學家才發現為什麼。隨著溫度上升,原子排列在晶格中的方式發生了變化。當溫度掉回去時,這個材料會恢復成原本的絕緣體狀態。薩米查德·尼可博士一開始目標是要調查 VO2 需要花多少時間從絕緣體轉換成金屬,反之亦然。

實驗發現

他從觸動開關時開始進行量測。就是這些量測數據揭開了某些非常奇異的東西。雖然它回到了相同的起始狀態,VO2 卻表現得彷彿是它記得最近的活動。

實驗包括了從一端到另外一端,從一條精確的路徑,將電流導入至該材料當中。這個電流加熱了 VO2,導致它改變其狀態,也就是先前提到的原子結構重新排列。當移除電流時,原子結構再次鬆弛。當再度施加電流時,事情變得有趣了。

EPFL 的電機工程師艾里森·馬蒂歐里教授(Elison Matioli)解釋:「VO2 似乎會『記得』第一次的相變化,並期待著下一次。我們並未預期見到這種記憶效果,且這與材料的電狀態無關,而是與材料的物理結構有關。這是一項嶄新發現,沒有其他材料如此表現。」

馬蒂歐里教授說:「團隊的研究顯示說,VO2 會儲存關於最近施加電流的某種訊息達至少三小時。事實上,時間可能更長,但我們目前沒有所須的儀器來量測。」

未來潛力

這個開關令人聯想到大腦中神經元的行為:它們同時作為記憶與處理器的單元。被描述為仿神經型態科技的、根據類似系統所產生的電腦可能會有超過傳統晶片與電路板的優勢。

因為這種雙重特性是 VO2 與生俱來的,因此它似乎符合記憶體設備的所有夢想清單:具有高容量的、高速度、及規模化的潛力。除此之外,其性質給予它在記憶體設備的優勢,這些設備是以受電狀態控制的二進位格式,對資料進行編碼。

研究人員寫到:「我們已報導了,在 VO2 中有玻璃般的動力學,可以在次奈秒的時間尺度下被激發,且在數個數量級的時間下被監控,從幾個微秒到數小時。因此,對於電子產品持續在縮小尺寸、快速運作、以及降低電壓供給程度的要求方面,我們的功能性設備預期可以符合這些持續的要求。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, August 23). ‘No Other Material Behaves in This Way’: Scientist Identify a Compound with a Memory. ScienceAlert
  2. Samizadeh Nikoo, M. et al., (2022, August 22). Electrical control of glass-like dynamics in vanadium dioxide for data storage and processing. Nature Electronics. doi.org/10.1038/s41928-022-00812-z
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/no-other-material-behaves-in-this-way-scientist-identify-a-compound-with-a-memory(圖:POWERlab/2022 EPFL)
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