中國科大在人工神經(jīng)元突觸的量子成像取得重要進(jìn)展

我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)孫方穩(wěn)課題組和國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室/核科學(xué)技術(shù)學(xué)院鄒崇文課題組合作，制備了基于二氧化釩(VO2)相變薄膜的類腦神經(jīng)元器件，并利用金剛石中氮-空位（NV）色心作為固態(tài)自旋量子傳感器探測了神經(jīng)元突觸在外部刺激下的動(dòng)態(tài)連接，展示了類腦神經(jīng)系統(tǒng)中多通道信號(hào)傳遞和處理過程。這項(xiàng)研究成果近日以“Quantum imaging of the reconfigurable VO2synaptic electronics for neuromorphic computing”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Science Advances》(Science Advances 9, eadg9376 (2023))。

圖1.類腦神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

類腦神經(jīng)元器件，即通常所說的類腦芯片，是指利用神經(jīng)形態(tài)器件去模擬人腦中的神經(jīng)元、突觸等基本功能，再進(jìn)一步將這些神經(jīng)形態(tài)器件聯(lián)結(jié)成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以模擬“大腦”的信息處理和存儲(chǔ)等復(fù)雜功能。二氧化釩(VO2)作為典型的氧化物量子材料，在近室溫附近具有可逆的絕緣-金屬相變，是制備高開關(guān)比突觸器件的理想材料。本研究中課題組研究人員基于近十年VO2的研究基礎(chǔ)，利用氧化物分子束外延設(shè)備克服了高純相結(jié)構(gòu)的單晶二氧化釩薄膜的制備瓶頸，生長了高質(zhì)量二氧化釩外延薄膜，并通過微納加工制備了生物神經(jīng)元和突觸陣列，實(shí)現(xiàn)了電場調(diào)制和激光誘導(dǎo)下多通道VO2雙端器件的選擇性電路導(dǎo)通，從而直接模擬了神經(jīng)元之間的突觸動(dòng)態(tài)連接過程。這種突觸之間的連接體現(xiàn)在VO2導(dǎo)電絲的形成和空間位置的選擇性，并直接受到外加電場和作為外加刺激的激光信號(hào)的調(diào)制。

圖2.外加電場和激光調(diào)制下的VO2導(dǎo)電絲形成的金剛石NV量子成像

此外對于神經(jīng)元突觸單元之間的動(dòng)態(tài)連接過程，實(shí)驗(yàn)人員創(chuàng)新性利用金剛石NV色心作為固態(tài)自旋量子傳感器探測了導(dǎo)電絲的形成和實(shí)時(shí)成像。由于VO2相變體系的光熱敏感性，相對于傳統(tǒng)的顯微成像技術(shù)，比如偏振紅外、拉曼或者近場光學(xué)(s-SNOM)等成像技術(shù)，采用基于金剛石NV色心的量子傳感方法避免了成像過程中測量系統(tǒng)激光信號(hào)的干擾，從而在研究外加刺激激光信號(hào)調(diào)制下突觸單元的動(dòng)態(tài)連接和實(shí)時(shí)成像方面顯示出了獨(dú)特優(yōu)勢。這種量子傳感成像技術(shù)清晰的揭示了基于VO2類腦神經(jīng)系統(tǒng)中多通道信號(hào)處理和傳導(dǎo)途徑與外在刺激之間的關(guān)聯(lián)，為構(gòu)筑大規(guī)模人工突觸分層組織和神經(jīng)形態(tài)結(jié)構(gòu)提供了直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖3.在Science Advances期刊首頁上的Feature Image介紹

本工作發(fā)表后被Science Advances期刊網(wǎng)站首頁以“Quantum imaging of artificial synapses”作為Featured image加以推介。國際知名學(xué)術(shù)媒體Physics.Org也對本工作做了亮點(diǎn)報(bào)道(https://phys.org/news/2023-10-elevating-neuromorphic-laser-controlled-filaments-vanadium.html)。