Scoperto un materiale che può imparare come il cervello

I ricercatori dell’EPFL di Losanna hanno scoperto che il biossido di vanadio, un composto utilizzato in elettronica, è in grado di “ricordare” l’intera storia di precedenti stimoli esterni. Questo è il primo materiale ad essere identificato come in possesso di questa proprietà, anche se potrebbero essercene altri.

Mohammad Samizadeh Nikoo, uno studente di dottorato presso il Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory della EPFL School of Engineering di Losanna, ha infatti fatto una scoperta casuale durante la sua ricerca sulle transizioni di fase nel biossido di vanadio. VO2 ha una fase isolante quando viene rilassato a temperatura ambiente e subisce una ripida transizione da isolante a metallo a 68° C, dove la sua struttura reticolare cambia. Classicamente, VO2 mostra una memoria volatile: “il materiale torna allo stato isolante subito dopo aver rimosso l’eccitazione”, afferma Samizadeh Nikoo.

Per la sua tesi, si è proposto di scoprire quanto tempo impiega il VO2 a passare da uno stato all’altro. Ma la sua ricerca lo ha portato su una strada diversa: dopo aver effettuato centinaia di misurazioni, ha osservato un effetto memoria nella struttura del materiale.

Nei suoi esperimenti, Samizadeh Nikoo ha applicato una corrente elettrica a un campione di VO2. “La corrente si è spostata attraverso il materiale, seguendo un percorso fino a quando non è uscita dall’altra parte”, spiega. Quando la corrente ha riscaldato il campione, ha causato il cambiamento di stato del VO2. E una volta passata la corrente, il materiale è tornato allo stato iniziale. Samizadeh Nikoo ha quindi applicato un secondo impulso di corrente al materiale e ha visto che il tempo necessario per cambiare stato era direttamente collegato alla storia del materiale. “Il VO2 sembrava ‘ricordare’ la prima transizione di fase e anticipare la successiva”, spiega la prof.ssa Elison Matioli, a capo del POWERlab. “Non ci aspettavamo di vedere questo tipo di effetto memoria, e non ha nulla a che fare con gli stati elettronici, ma piuttosto con la struttura fisica del materiale. È una nuova scoperta: nessun altro materiale si comporta in questo modo”.

I ricercatori hanno poi scoperto che VO2 è in grado di ricordare il suo stimolo esterno più recente per un massimo di tre ore. “L’effetto memoria potrebbe infatti persistere per diversi giorni, ma al momento non disponiamo degli strumenti necessari per misurarlo”, afferma Matioli.

La scoperta del team di ricerca è importante perché l’effetto memoria che hanno osservato è una proprietà innata del materiale stesso. Gli ingegneri si affidano alla memoria per eseguire calcoli di ogni tipo e i materiali che potrebbero migliorare il processo di calcolo offrendo maggiore capacità, velocità e miniaturizzazione sono molto richiesti. VO2 spunta tutte e tre queste caselle. Inoltre, la sua memoria strutturale continua lo distingue dai materiali convenzionali che memorizzano i dati come informazioni binarie dipendenti dalla manipolazione degli stati elettronici.

I ricercatori hanno eseguito una serie di misurazioni per arrivare ai loro risultati. Hanno anche confermato i loro risultati applicando il nuovo metodo a diversi materiali in altri laboratori in tutto il mondo. Questa scoperta replica bene ciò che accade nel cervello, poiché gli interruttori VO2 agiscono proprio come i neuroni.