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Ions Take Center Stage in Groundbreaking Memristor Research, Concept art for illustrative purpose, tags: ionen - Monok

Ionen stehen im Mittelpunkt einer bahnbrechenden Memristor-Forschung

Eine aktuelle Studie unter der Leitung des Laboratory of Nanoscale Biology (LBEN) der EPFL stellt ein nanofluidisches Memristor-Gerät vor, das Ionen verwendet und auf eine energieeffizientere und skalierbare Datenverarbeitung abzielt.

Das Gedächtnis, die Fähigkeit, Informationen für einen schnellen Zugriff zu speichern, ist sowohl für Computer als auch für menschliche Gehirne von grundlegender Bedeutung. Dennoch unterscheiden sich ihre Methoden der Informationsverarbeitung erheblich. Das menschliche Gehirn rechnet direkt mit den gespeicherten Daten, während bei Computern die Daten zwischen einer Speichereinheit und einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) übertragen werden müssen.

Seit über fünf Jahrzehnten erforschen Forscher Memristoren (Speicherwiderstände), elektronische Komponenten, die Daten in einer einzigen Einheit verarbeiten und speichern können. Die LBEN-Forscherin Aleksandra Radenovic hat sich ein ehrgeizigeres Ziel gesetzt: die Entwicklung eines funktionalen nanofluidischen memristiven Geräts auf der Grundlage von Ionenverarbeitung.

Dieser Ansatz ahmt die Informationsverarbeitung des menschlichen Gehirns besser nach und ist daher energieeffizienter.

Wir haben einen neuen nanofluidischen Baustein für Speicheranwendungen hergestellt, der wesentlich besser skalierbar und leistungsfähiger ist als frühere Versuche

Théo Emmerich

Forscher haben ein neues Nanofluidik-Bauteil für Speicheranwendungen hergestellt und zwei künstliche Synapsen miteinander verbunden, wodurch sie das vom Gehirn inspirierte Hardware-Design vorantreiben.

Memristoren entwickeln sich weiter: Umstellung auf Ionen

Memristoren können zwischen zwei Leitfähigkeitszuständen umschalten – ein und aus – indem sie die angelegte Spannung anpassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Memristoren, die Elektronen und Löcher verwenden, zapft der Memristor von LBEN die Kraft verschiedener Ionen an. Bei ihren Forschungen tauchte das Team das Gerät in eine Elektrolytlösung mit Kaliumionen und demonstrierte damit das Potenzial, auch andere Ionen wie Natrium und Kalzium zu nutzen.

Die Herstellung des Nanofluidik-Geräts erfolgte im EPFL Center of MicroNanoTechnology, wo die Forscher eine Nanopore in der Mitte einer Siliziumnitrid-Membran erzeugten. Durch die Zugabe von Palladium- und Graphitschichten entstanden Nanokanäle, durch die Ionen strömten. Die Ionen sickern durch die Kanäle und erzeugen Blasen an der Pore, wodurch der Chip leitfähiger wird und seinen Speicherzustand auf „ein“ schaltet.

Das Gerät merkt sich den vorherigen Zustand mit der abgehobenen Graphitschicht und wird durch Anlegen einer negativen Spannung wieder auf „aus“ gestellt, indem die Schichten wieder in Kontakt gebracht werden.

Die Zusammenarbeit zwischen Forschern des LBEN und des Laboratory of Nanoscale Electronics and Structures führte zur Bildung eines logischen Schaltkreises mit zwei HACs und einer Elektrode, der ersten Demonstration digitaler logischer Operationen unter Verwendung synapsenartiger ionischer Bauelemente.

Die Forscher wollen HAC-Netzwerke mit Wasserkanälen verbinden, um flüssige Schaltkreise zu schaffen, die eine integrierte Kühlung ermöglichen und biokompatible Geräte für Gehirn-Computer-Schnittstellen und die Neuromedizin vorantreiben.