Mesmo com décadas de desenvolvimento sem precedentes em poder computacional, o cérebro humano ainda possui muitas vantagens sobre as tecnologias de computação modernas. Nossos cérebros são extremamente eficientes para muitas tarefas cognitivas e não separam memória e computação, ao contrário de chips de computador padrão.

Na última década, o novo paradigma da computação neuromórfica surgiu, inspirado nas redes neurais do cérebro e baseado em hardware com eficiência energética para processamento de informações.

Para criar dispositivos que imitam o que ocorre nos neurônios e sinapses do nosso cérebro, os pesquisadores precisam superar um desafio fundamental da engenharia molecular:como projetar dispositivos que exibam transição controlável e com eficiência energética entre diferentes estados resistivos acionados por estímulos recebidos.

Em um estudo recente, cientistas da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago foram capazes de prever regras de projeto para tais dispositivos.

Publicado em 10 de novembro em npj materiais computacionais , o estudo previu novas formas de engenharia e desencadeamento de mudanças nas propriedades eletrônicas em várias classes de óxidos de metais de transição, que poderia ser usado para formar a base de arquiteturas de computação neuromórfica.

"Usamos cálculos da mecânica quântica para desvendar o mecanismo da transição, destacando exatamente como isso acontece na escala atomística, "disse Giulia Galli, Liew Family Professor na Pritzker Molecular Engineering, professor de química, e coautor do estudo. "Além disso, desenvolvemos um modelo para prever como desencadear a transição, mostrando boa concordância com as medidas disponíveis. "

O impacto dos defeitos nas propriedades eletrônicas

Os pesquisadores investigaram materiais óxidos que exibem uma mudança nas propriedades eletrônicas de um metal - que conduz eletricidade - para um isolante - que não permite a passagem da eletricidade - com várias concentrações de defeitos. Os defeitos podem ser átomos ausentes ou algumas impurezas que substituem os átomos presentes em um cristal perfeito.

Para entender como os defeitos mudam o estado do material de metal para isolante, os autores calcularam a estrutura eletrônica em diferentes concentrações de defeitos usando métodos baseados na mecânica quântica.

"Compreendendo a intrincada interdependência da carga desses defeitos, a forma como os átomos se reorganizam no material e a maneira como as propriedades de spin variam é crucial para controlar e, eventualmente, desencadear a transição desejada, "disse Shenli Zhang, um pesquisador de pós-doutorado da UChicago e primeiro autor do artigo.

"Comparado aos semicondutores tradicionais, os materiais óxidos que estudamos requerem muito menos energia para alternar entre dois estados totalmente diferentes:de um metal para um isolador, "Zhang continuou." Este recurso torna esses materiais candidatos promissores para serem usados ​​como neurônios artificiais ou sinapses artificiais para arquiteturas neuromórficas de grande escala. "

O estudo, publicado por Zhang e Galli, foi conduzido dentro do centro de pesquisas Quantum Materials for Energy Efficient Neuromorphic Computing (QMEENC), que é financiado pelo Departamento de Energia e liderado pelo Prof. Ivan Schuller na UC San Diego.

"Compreender os materiais quânticos fornecerá as principais soluções para muitos problemas científicos e tecnológicos, incluindo a redução do consumo de energia em dispositivos computacionais, "disse Schuller." Dada a complexidade dos materiais quânticos, a abordagem Edisoniana de tentativa e erro não é mais viável, e teorias quantitativas são necessárias. "

Essas teorias de alto nível são computacionalmente exigentes e têm sido alvo de uma longa linha de trabalho.

"Os cálculos dos primeiros princípios estão desempenhando um papel fundamental na condução da engenharia molecular da computação neuromórfica. É empolgante ver os métodos que desenvolvemos durante anos se tornando realidade, "disse Galli.