En un descubrimiento publicado en la revista Naturaleza, un equipo internacional de investigadores ha descrito un nuevo dispositivo molecular con una destreza informática excepcional.

Con reminiscencias de la plasticidad de las conexiones en el cerebro humano, el dispositivo se puede reconfigurar en tiempo real para diferentes tareas computacionales simplemente cambiando los voltajes aplicados. Además, como las células nerviosas pueden almacenar recuerdos, el mismo dispositivo también puede retener información para su futura recuperación y procesamiento.

“El cerebro tiene la notable capacidad de cambiar su cableado estableciendo y rompiendo conexiones entre las células nerviosas. Lograr algo comparable en un sistema físico ha sido un gran desafío ”, dijo el Dr. R. Stanley Williams, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Texas A&M. «Ahora hemos creado un dispositivo molecular con una reconfigurabilidad espectacular, que no se logra cambiando las conexiones físicas como en el cerebro, sino reprogramando su lógica».

Dr. T. Venkatesan, director del Centro de Investigación y Tecnología Cuántica (CQRT) de la Universidad de Oklahoma, Filial Científica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Gaithersburg, y profesor adjunto de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Nacional de Singapur, agregó que su dispositivo molecular puede ayudar en el futuro a diseñar chips de procesamiento de próxima generación con potencia y velocidad computacionales mejoradas, pero consumiendo energía significativamente menor.

Ya sea una computadora portátil familiar o una supercomputadora sofisticada, las tecnologías digitales se enfrentan a un enemigo común, el cuello de botella de von Neumann. Este retraso en el procesamiento computacional es una consecuencia de las arquitecturas informáticas actuales, en las que la memoria, que contiene datos y programas, está físicamente separada del procesador. Como resultado, las computadoras pasan una cantidad significativa de tiempo transfiriendo información entre los dos sistemas, lo que provoca el cuello de botella. Además, a pesar de las velocidades de procesador extremadamente rápidas, estas unidades pueden estar inactivas durante períodos prolongados durante los períodos de intercambio de información.

Como alternativa a las piezas electrónicas convencionales utilizadas para diseñar unidades de memoria y procesadores, los dispositivos llamados memristors ofrecen una forma de evitar el cuello de botella de von Neumann. Los memristores, como los hechos de dióxido de niobio y dióxido de vanadio, cambian de aislante a conductor a una determinada temperatura. Esta propiedad otorga a estos tipos de memristores la capacidad de realizar cálculos y almacenar datos.

Sin embargo, a pesar de sus muchas ventajas, estos memristores de óxido metálico están hechos de elementos de tierras raras y solo pueden operar bajo regímenes de temperatura restrictivos. De modo que ha habido una búsqueda continua de moléculas orgánicas prometedoras que podrían desempeñar una función de memoria comparable, dijo Williams.

El Dr. Sreebrata Goswami, profesor de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia, diseñó el material utilizado en este trabajo. El compuesto tiene un metal central átomo (hierro) unido a tres moléculas orgánicas de fenil azopiridina llamadas ligandos.

«Esto se comporta como una esponja de electrones que puede absorber hasta seis electrones de manera reversible, lo que da como resultado siete estados redox diferentes», dijo Sreebrata. «La interconectividad entre estos estados es la clave detrás de la reconfigurabilidad mostrada en este trabajo».

El Dr. Sreetosh Goswami, investigador de la Universidad Nacional de Singapur, concibió este proyecto creando un pequeño circuito eléctrico que consta de una capa de película molecular de 40 nanómetros intercalada entre una capa superior de oro y un nanodisco infundido con oro y óxido de indio y estaño en el fondo.

Al aplicar un voltaje negativo al dispositivo, Sreetosh fue testigo de un perfil de voltaje de corriente que no se parecía en nada a lo que nadie había visto antes. A diferencia de los memristores de óxido metálico que pueden cambiar de metal a aislante con solo un voltaje fijo, los dispositivos moleculares orgánicos pueden cambiar de aislante a conductor a varios voltajes secuenciales discretos.

“Entonces, si piensa en el dispositivo como un interruptor de encendido y apagado, mientras bajamos el voltaje a más negativo, el dispositivo se apagó primero, luego se apagó para encender, luego encendió para apagar y luego volvió a encender. Diré que simplemente nos sacaron de nuestro asiento ”, dijo Venkatesan. «Tuvimos que convencernos de que lo que estábamos viendo era real».

Sreetosh y Sreebrata investigaron los mecanismos moleculares subyacentes al curioso comportamiento de conmutación utilizando una técnica de imagen llamada espectroscopia Raman. En particular, buscaron firmas espectrales en el movimiento vibratorio de la molécula orgánica que pudieran explicar las múltiples transiciones. La investigación reveló que escanear el voltaje negativo hizo que los ligandos de la molécula pasaran por una serie de eventos de reducción, o ganancia de electrones, que causaron que la molécula cambiara entre apagado y encendido.

A continuación, para describir matemáticamente el perfil de corriente-voltaje extremadamente complejo del dispositivo molecular, Williams se desvió del enfoque convencional de las ecuaciones básicas basadas en la física. En cambio, describió el comportamiento de las moléculas utilizando un algoritmo de árbol de decisión con declaraciones «si-entonces-si no», una línea común de código en muchos programas de computadora, particularmente en juegos digitales.

“Los videojuegos tienen una estructura en la que tienes un personaje que hace algo y luego sucede algo como resultado. Y luego, si escribe eso en un algoritmo de computadora, son declaraciones si-entonces-si no ”, dijo Williams. «Aquí, la molécula está cambiando de encendido a apagado como consecuencia del voltaje aplicado, y fue entonces cuando tuve el momento perfecto para usar árboles de decisión para describir estos dispositivos, y funcionó realmente bien».

Pero los investigadores han ido un paso más allá al explotar estos dispositivos moleculares para ejecutar programas para diferentes tareas computacionales del mundo real. Sreetosh demostró experimentalmente que sus dispositivos podían realizar cálculos muy complejos en un solo paso de tiempo y luego reprogramarse para realizar otra tarea en el siguiente instante.

“Fue extraordinario; nuestro dispositivo estaba haciendo algo similar a lo que hace el cerebro, pero de una manera muy diferente ”, dijo Sreetosh. “Cuando aprendes algo nuevo o estás decidiendo, el cerebro puede reconfigurar y cambiar el cableado físico que lo rodea. Asimismo, lógicamente podemos reprogramar o reconfigurar nuestros dispositivos, dándoles un pulso de voltaje diferente al que vieron antes. «

Venkatesan señaló que se necesitarían miles de transistores para realizar las mismas funciones computacionales que uno de sus dispositivos moleculares con sus diferentes árboles de decisión. Por lo tanto, dijo que su tecnología podría usarse primero en dispositivos portátiles, como teléfonos celulares y sensores, y otras aplicaciones donde la energía es limitada.

Referencia: “Decision Trees Within a Molecular Memristor” por Sreetosh Goswami, Rajib Pramanick, Abhijeet Patra, Santi Prasad Rath, Martin Foltin, A. Ariando, Damien Thompson, T. Venkatesan, Sreebrata Goswami y R. Stanley Williams, 1 de septiembre 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03748-0

Otros colaboradores de la investigación incluyen al Dr. Abhijeet Patra y al Dr. Ariando de la Universidad Nacional de Singapur; El Dr. Rajib Pramanick y el Dr. Santi Prasad Rath de la Asociación India para el Cultivo de la Ciencia; El Dr. Martin Foltin de Hewlett Packard Enterprise, Colorado; y el Dr. Damien Thompson de la Universidad de Limerick, Irlanda.

Venkatesan dijo que esta investigación es indicativa de futuros descubrimientos de este equipo colaborativo, que incluirá el centro de nanociencia e ingeniería en el Instituto Indio de Ciencia y la División de Microsistemas y Nanotecnología del NIST.

Esta investigación multidisciplinaria y multinacional fue apoyada por la Fundación Nacional de Investigación de Singapur en el marco de los Programas de Investigación Competitiva; Consejo de Investigación en Ciencia e Ingeniería, India; el Programa de Subvenciones X del Fondo de Excelencia del Presidente de Texas A&M; Ciencia, Tecnología e Investigación, Singapur, en virtud de su Beca de Investigación Individual en Fabricación e Ingeniería Avanzadas; fondos iniciales en CQRT University of Oklahoma; y la Science Foundation, Irlanda.