迈向下一代计算机：用石墨烯-金刚石异质结模拟大脑功能

人类的大脑掌握着我们独特个性的秘密。但是您知道它也可以构成高效计算设备的基础吗？日本名古屋大学的研究人员最近展示了如何做到这一点，通过石墨烯-金刚石异质结来模仿人类大脑某些功能。

但是，为什么科学家会尝试模仿人脑呢？今天，现有的计算机架构受到复杂数据的影响，限制了它们的处理速度。另一方面，人脑可以高效处理高度复杂的数据，例如图像。因此，科学家们试图构建模仿大脑神经网络的“神经形态”架构。

记忆和学习必不可少的一种现象是“突触可塑性”，即突触（神经元链接）适应活动增加或减少的能力。科学家们试图使用晶体管和“忆阻器”（可以存储电阻的电子存储设备）来重现类似的效果。最近开发的光控忆阻器或“光敏电阻器”既可以检测光又可以提供非易失性记忆，类似于人类的视觉感知和记忆。这些优异的特性为可以充当人工光电突触的全新材料世界打开了大门！

这促使名古屋大学的研究团队设计石墨烯-金刚石异质结，可以模仿生物突触和关键记忆功能的特征，为下一代图像传感存储设备打开大门。在他们最近发表在《Carbon》上的研究中，由 Kenji Ueda 博士领导的研究人员使用垂直排列的石墨烯(VG)和金刚石之间的连接展示了光电控制的突触功能。制造的连接模仿生物突触功能，例如产生“兴奋性突触后电流”（EPSC）——突触膜上的神经递质诱导的电荷——当用光脉冲刺激时，表现出其他基本的大脑功能，例如从短期记忆 (STM) 到长期记忆 (LTM)。

Ueda 博士解释说：“我们的大脑装备精良，可以筛选可用信息并存储重要信息。我们尝试了类似VG金刚石阵列的方法，当暴露于光刺激时，它可以模拟人脑。”他补充说：“这项研究是由于 2016 年的一项发现而引发的，当时我们发现石墨烯-金刚石异质结中存在较大的光学诱导电导率变化。”除了 EPSC、STM 和 LTM，这些连接点还显示出300%的成对脉冲促进——当紧接在先的突触之前时，突触后电流增加。

VG金刚石阵列在偏置电压下经历了由荧光和蓝色LED引起的氧化还原反应。研究人员将此归因于在结界面处存在不同的石墨烯和金刚石杂化碳，这导致离子响应光而迁移，进而允许异质结执行类似于那些由大脑和视网膜执行的。此外，VG-金刚石阵列在光敏性和结构简单性方面超越了传统的基于稀有金属的光敏材料的性能。

Ueda博士说：“我们的研究提供了对人工光电突触行为背后的工作机制的更好理解，为光学可控的大脑模拟计算机比现有计算机具有更好的信息处理能力铺平了道路。”

下一代计算机的未来可能不会太遥远。

摘自《The Graphene Council》网站