Enheten kalles en nevristor, og forsøket viser hvordan tidligere elektrisk aktivitet kan sette varige spor i materialet. Forskerne kunne også reversere denne endringen ved å bruke strøm med lavere styrke, slik at enheten igjen fikk en mindre forutsigbar koblingsatferd.

Strøm endrer materialets indre struktur

Teamet ved University of California San Diego ble ledet av fysikkprofessor Oleg Shpyrko. Forskerne brukte koherent røntgendiffraksjon for å følge endringer på nanoskala mens elektrisk strøm gikk gjennom enheten. Metoden gjorde det mulig å undersøke hvordan den indre strukturen påvirket måten enheten skiftet mellom ulike elektriske tilstander.

Vanadiumdioksid kan gå fra en elektrisk isolerende til en ledende tilstand. Overgangen følges samtidig av strukturelle endringer i materialet, noe som gjør det egnet til å studere elektroniske enheter som etterligner enkelte egenskaper ved nerveceller.

I forsøkene undersøkte forskerne hvordan gjentatt elektrisk stimulering påvirket plasseringen og bevegelsen til små områder inne i materialet. Disse områdene kalles domener, og de kan påvirke hverandre når enheten skifter mellom tilstandene.

Enheten kan få en mer forutsigbar respons

Forskerne identifiserte en prosess de kaller «jamming». Den innebærer at domenenes bevegelser gradvis blir mer begrenset. I stedet for å opptre uavhengig av hverandre begynner samspillet mellom dem å legge føringer på hvordan materialet kan endre seg.

Gjentatt elektrisk stimulering over en bestemt terskel drev materialet mot denne fastlåste tilstanden. Den påfølgende koblingen i enheten ble da mer forutsigbar. Det tyder på at den tidligere elektriske aktiviteten hadde påvirket hvordan enheten reagerte på nye signaler.

Forskerne fant samtidig at stimulering med lavere strøm kunne snu effekten. Enheten gikk da tilbake til en mindre forutsigbar koblingstilstand. Dermed fikk teamet en måte å styre den minnelignende oppførselen gjennom elektriske signaler.

«Husking» betyr en målbar endring

Endringene i strukturen ble fulgt over perioder på flere tusen sekunder. Det gjorde det mulig å knytte enhetens elektriske historie til endringer inne i materialet.

Resultatene gir en fysisk forklaring på hvordan en nevristor kan beholde informasjon om tidligere elektrisk aktivitet uten en separat, konvensjonell minnekomponent. I denne sammenhengen betyr ikke læring at enheten forstår informasjon eller løser problemer på egen hånd. Begrepet viser til en målbar endring i koblingsatferden som skyldes tidligere stimulering. Å glemme betyr at denne endringen reverseres.

Dette er relevant for nevromorf datateknologi, som forsøker å utvikle elektroniske systemer inspirert av måten nerveceller og synapser behandler og lagrer informasjon på. En enhet som kan endre responsen sin basert på tidligere elektriske signaler, kan på sikt bidra til kretser som kombinerer minne og beregning.

Foreløpig et eksperimentelt materialsystem

Forskerne har imidlertid demonstrert mekanismen i et eksperimentelt materialsystem, ikke i en komplett hjerneinspirert prosessor. Det trengs mer arbeid for å finne ut hvor pålitelig oppførselen kan styres i flere enheter, hvor raskt minnetilstander kan endres, og om metoden faktisk gir målbare energibesparelser i praktiske kretser.

Studien gir også en metode for å undersøke hvordan strukturelle endringer på nanoskala påvirker elektrisk kobling i materialer der strukturelle og elektriske overganger henger sammen. Funnene er publisert i tidsskriftet Nature Communications.