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
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近日，中國科大郭光燦院士團隊孫方穩課題組和國家同步輻射實(shí)驗室/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(lèi)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(lèi)腦神經(jīng)系統中多通道信號傳遞和處理過(guò)程。這項研究成果近日以“Quantum imaging of the reconfigurable VO2synaptic electronics for neuromorphic computing”為題發(fā)表于國際權威期刊《Science Advances》(Science Advances 9, eadg9376 (2023))。
圖1.類(lèi)腦神經(jīng)元動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )結構示意圖類(lèi)腦神經(jīng)元器件，即通常所說(shuō)的類(lèi)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)結成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，以模擬“大腦”的信息處理和存儲等復雜功能。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(kāi)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，利用氧化物分子束外延設備克服了高純相結構的單晶二氧化釩薄膜的制備瓶頸，生長(cháng)了高質(zhì)量二氧化釩外延薄膜，并通過(guò)微納加工制備了生物神經(jīng)元和突觸陣列，實(shí)現了電場(chǎng)調制和激光誘導下多通道VO2雙端器件的選擇性電路導通，從而直接模擬了神經(jīng)元之間的突觸動(dòng)態(tài)連接過(guò)程。這種突觸之間的連接體現在VO2導電絲的形成和空間位置的選擇性，并直接受到外加電場(chǎng)和作為外加刺激的激光信號的調制。
圖2.外加電場(chǎng)和激光調制下的VO2導電絲形成的金剛石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(guò)程，實(shí)驗人員創(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，相對于傳統的顯微成像技術(shù)，比如偏振紅外、拉曼或者近場(chǎng)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(guò)程中測量系統激光信號的干擾，從而在研究外加刺激激光信號調制下突觸單元的動(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(lèi)腦神經(jīng)系統中多通道信號處理和傳導途徑與外在刺激之間的關(guān)聯(lián)，為構筑大規模人工突觸分層組織和神經(jīng)形態(tài)結構提供了直接的實(shí)驗依據。
圖3.在Science Advances期刊首頁(yè)上的Feature Image介紹本工作發(fā)表后被Science Advances期刊網(wǎng)站首頁(yè)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)報道(https://phys.org/news/2023-10-elevating-neuromorphic-laser-controlled-filaments-vanadium.html)。 本文第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士后馮策和國家同步輻射實(shí)驗室博士生李博文，通訊作者為孫方穩教授和鄒崇文研究員。該工作得到了科技創(chuàng )新2030重大項目、中國科學(xué)與穩定支持基礎研究領(lǐng)域青年團隊項目、國家自然科學(xué)基金、前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃、合肥大科學(xué)中心項目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持。
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