Forscher entdecken ein Material mit Gehirn

Von der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Lausanne, 5. September 2022

Vanadiumdioxid (VO2), eine Verbindung, die in der Lage ist, sich an die gesamte Geschichte früherer äußerer Reize zu „erinnern“. Bildnachweis: POWERlab / 2022 EPFL

Während seiner Forschung zu Phasenübergängen in Vanadiumdioxid (VO2) hat Mohammad Samizadeh Nikoo, ein Ph.D. Ein Student am Power and Wide-Band-Gap Electronics Research Laboratory (POWERlab) der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) machte eine unerwartete Entdeckung. Wenn VO2 bei Raumtemperatur entspannt wird, hat es eine isolierende Phase und erfährt bei 68 °C (154 °F) einen scharfen Isolator-zu-Metall-Übergang, bei dem sich seine Gitterstruktur ändert.

Laut Samizadeh Nikoo hat VO2 ein flüchtiges Gedächtnis: „Das Material kehrt direkt nach dem Entfernen der Anregung wieder in den isolierenden Zustand zurück.“ Für seine Dissertation wollte er herausfinden, wie lange es dauert, bis VO2 von einem Zustand in einen anderen wechselt. Seine Untersuchung nahm jedoch eine andere Wendung: Nach Hunderten von Messungen entdeckte er einen Memory-Effekt in der Struktur des Materials.

In seinen Experimenten verabreichte Samizadeh Nikoo einer VO2-Probe elektrischen Strom. „Der Strom bewegte sich über das Material und folgte einem Pfad, bis er auf der anderen Seite austrat“, erklärt er. Das VO2 änderte seinen Zustand, als der Strom die Probe erhitzte. Nachdem der Strom weg war, kehrte das Material in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Anschließend gab Samizadeh Nikoo dem Material einen zweiten Stromimpuls und stellte fest, dass die Zeit, die zur Zustandsänderung benötigt wurde, eng mit der Geschichte des Materials zusammenhängt.

„Der VO2 schien sich an den ersten Phasenübergang zu ‚erinnern‘ und den nächsten vorwegzunehmen“, erklärt Professor Elison Matioli, die das POWERlab leitet. „Wir hatten nicht damit gerechnet, einen solchen Memory-Effekt zu sehen, und er hat nichts mit elektronischen Zuständen zu tun, sondern vielmehr mit der physikalischen Struktur des Materials. Es ist eine neuartige Entdeckung: Kein anderes Material verhält sich auf diese Weise.“

Die Forscher fanden heraus, dass sich VO2 bis zu drei Stunden lang an den letzten externen Reiz erinnern kann. „Der Memory-Effekt könnte tatsächlich mehrere Tage anhalten, aber uns fehlen derzeit die Instrumente, um das zu messen“, sagt Matioli.

Die Feststellung des Studienteams ist bedeutsam, da der identifizierte Memory-Effekt eine angeborene Eigenschaft des Materials selbst ist. Ingenieure sind für die Durchführung verschiedener Berechnungen auf Speicher angewiesen, und Materialien, die den Berechnungsprozess durch Erhöhung der Kapazität, Geschwindigkeit und Miniaturisierung verbessern können, sind sehr gefragt. VO2 aktiviert alle drei dieser Kästchen. Darüber hinaus unterscheidet es sich durch sein kontinuierliches, strukturelles Gedächtnis von typischen Materialien, die Daten abhängig von der Manipulation elektrischer Zustände als binäre Informationen speichern.

Um zu ihren Schlussfolgerungen zu gelangen, führten die Forscher zahlreiche Messungen durch. Sie bestätigten ihre Ergebnisse auch, indem sie die neue Methode auf verschiedene Materialien in anderen Labors auf der ganzen Welt anwendeten. Diese Entdeckung spiegelt gut wider, was im Gehirn passiert, da VO2-Schalter genau wie Neuronen wirken.

Referenz: „Elektrische Kontrolle der glasartigen Dynamik in Vanadiumdioxid zur Datenspeicherung und -verarbeitung“ von Mohammad Samizadeh Nikoo, Reza Soleimanzadeh, Anna Krammer, Guilherme Migliato Marega, Yunkyu Park, Junwoo Son, Andreas Schueler, Andras Kis, Philip JW Moll, und Elison Matioli, 22. August 2022, Nature Electronics.DOI: 10.1038/s41928-022-00812-z