Transístor optoeletrônico imita neurônio e tem sua própria memória

Com informações da Agência Fapesp -  24/04/2017

O componente armazena informação em sua própria estrutura, prescindindo de uma unidade complementar de memória.[Imagem: F. Hartmann et al. - 10.1021/acs.nanolett.6b04911]

Transístor com memória

Um transístor capaz de simular algumas funcionalidades dos neurônios foi criado por uma equipe da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), da Universidade de Wurzburg, na Alemanha, e da Universidade da Carolina do Sul, nos Estados Unidos.

O componente, que possui partes micrométricas e partes nanométricas, consegue enxergar a luz, contar e armazenar informação em sua própria estrutura, prescindindo de uma unidade complementar de memória.

"Nesse trabalho, demonstramos a capacidade de transistores baseados em pontos quânticos executarem operações complexas diretamente na memória. Isso pode levar ao desenvolvimento de novos tipos de dispositivos e circuitos computacionais, nos quais as unidades de memória estejam combinadas com as unidades de processamento lógico, economizando espaço, tempo e consumo de energia," disse Victor Lopez Richard, professor do Departamento de Física da UFSCar e um dos coordenadores do estudo.

O estudo contou ainda com a participação dos brasileiros Mariama Rebello Sousa Dias, Leonardo Kleber Castelano e Gilmar Eugênio Marques.

Transístor de ponto quântico

O transístor foi produzido por técnicas de crescimento epitaxial - isto é, pela deposição de camadas ultrafinas sobre um substrato cristalino. Nessa base microscópica, gotas nanoscópicas de arseneto de índio funcionam como pontos quânticos, confinando elétrons em estados quantizados.

As funcionalidades de memória decorrem da dinâmica de carga e descarga elétrica dos pontos quânticos, engendrando padrões de corrente com periodicidade modulável pela tensão aplicada nas portas do transístor ou pela luz absorvida pelos pontos.

"A grande virtude do nosso dispositivo é que ele possui uma memória intrínseca, armazenada como carga elétrica no interior dos pontos quânticos. O xis da questão é controlar a dinâmica dessas cargas de modo que o transístor possa manifestar diferentes estados. Suas funcionalidades englobam as capacidades de contar, lembrar e realizar as operações aritméticas simples normalmente feitas pelas calculadoras. Porém, em escalas de espaço, tempo e energia incomparavelmente menores", informou Victor.

O novo componente pode se tornar a base de uma plataforma utilizável em equipamentos como contadoras ou calculadoras, com a memória intrinsecamente vinculada ao próprio transístor, e todas as funcionalidades disponíveis dentro do mesmo sistema, em escala nanométrica, sem a necessidade de um espaço adicional para o armazenamento de dados.

"Além disso, como os pontos quânticos são sensíveis a fótons, podemos dizer que o transístor é capaz de enxergar a luz. E, tanto quanto a voltagem elétrica, a absorção fotônica possibilita controlar a dinâmica de carga e descarga dos pontos quânticos, simulando as respostas sinápticas e algumas funcionalidades neurais", disse Victor.

O transístor tem um comportamento similar aos dos memoristores. [Imagem: F. Hartmann et al. - 10.1021/acs.nanolett.6b04911]

Saindo do frio

Mas novos desenvolvimentos serão necessários antes que o transístor possa vir a ser utilizado como recurso tecnológico - por enquanto, ele só funciona em temperaturas extremamente baixas, da ordem de 4 kelvin, correspondentes à temperatura do hélio líquido.

"Nossa meta é torná-lo funcional em outros patamares - até mesmo na temperatura ambiente. Para isso, os espaços eletrônicos do sistema deverão estar suficientemente espaçados, de forma a não serem afetados pela temperatura. Será preciso controlar melhor também as técnicas de síntese e crescimento do material, de modo a sintonizar os canais de carga e descarga. E a quantização dos estados armazenados nos pontos quânticos", ressalvou Victor.

Bibliografia:

Nanoscale Tipping Bucket Effect in a Quantum Dot Transistor-Based Counter
F. Hartmann, P. Maier, Mariama Rebello Sousa Dias, S. Göpfert, Leonardo Kleber Castelano, M. Emmerling, C. Schneider, S. Höfling, M. Kamp, Y. V. Pershin, Gilmar Eugênio Marques, Victor Lopez-Richard, L. Worschech
Nano Letters
Vol.: 17 (4), pp 2273-2279
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b04911