Асимметричная гетероструктура ван-дер-Ваальса с модуляцией ферроэлектричности для ультранизкоэнергетической нейроморфной синапсы и операций «логика-в-памяти»

Почему важны более умные и энергоэффективные чипы

Ежедневные устройства — от телефонов и камер до умных колонок и домашних датчиков — все чаще должны видеть, обучаться и реагировать в реальном времени. Однако современные микросхемы тратят много энергии на перемещение данных между раздельными блоками для сенсоров, памяти и обработки. В этой работе представлен крошечный многослойный прибор, который объединяет все три функции в одной структуре, резко сокращая энергопотребление при сохранении способности решать сложные задачи, такие как распознавание изображений и обучение, имитирующее мозг.

Накладывание ультратонких материалов в одну миниатюрную «клетку» мозга

Исследователи собрали устройство из нескольких листов материалов толщиной в несколько атомов, уложенных как миниатюрный «клубный» сэндвич. В центре — особый кристалл, называемый ферроэлектриком, который может удерживать внутреннее электрическое «направление», сохраняющееся даже при отключённом питании. Этот слой расположен над другими светочувствительными и проводящими слоями, а графен внизу выполняет роль прозрачного гибкого контакта. Поскольку слои взаимодействуют через слабые силы ван-дер-Ваальса, а не через традиционные химические связи, их можно комбинировать с большой свободой, создавая высоконастраиваемую структуру на очень малой площади.

Использование встроенных электрических полей как ручки управления

Ключевой приём — использовать ферроэлектрический слой как внутренний переключатель, который изменяет то, как электрические заряды текут через стопку. При подаче небольших положительных или отрицательных импульсов команда может инвертировать направление внутреннего поля ферроэлектрика. Это, в свою очередь, повышает или понижает энергетические барьеры на интерфейсах между слоями, меняя лёгкость течения электронов. Поскольку это встроенное поле сохраняется даже после окончания импульса, устройство естественным образом запоминает своё состояние без необходимости постоянного питания, подобно тому, как синапс в мозге хранит силу связи между двумя нейронами.

Логические операции и искусственные синапсы в одном устройстве

Благодаря этому внутреннему управлению одно устройство может выполнять роль нескольких различных логических элементов — базовых блоков цифровых схем. Выбирая последовательность импульсов и способ считывания выходного тока, авторы реализуют пять классических логических операций (AND, OR, NOT, NOR и NAND) в одной физической структуре, вместо того чтобы требовать отдельных транзисторов и проводки для каждого элемента. Одновременно, за счёт целенаправленной инженерии дефектов в одном из слоёв, устройство ведёт себя как нейроморфная синапса: его проводимость можно плавно настраивать более чем на 128 разных уровней и изменять с помощью света или электрических импульсов. Эти уровни стабильны, отчётливо отделены от шума и могут обновляться с использованием чрезвычайно малых энергий, сопоставимых с энергиями биологических синапсов или даже меньшими.

Восприятие и обучение на свету в широком спектре

Поскольку некоторые слои чувствительны к свету, устройство также функционирует как высокопроизводительный фотоприёмник. При нулевом приложенном напряжении оно способно обнаруживать свет от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона при чрезвычайно низком тёмном токе — фоновой составляющей тока в отсутствие света — что критично для регистрации слабых сигналов. При небольшом смещении та же структура переключается в режим «фотонной синапсы»: вспышки света действуют как учебные импульсы, усиливая или ослабляя эффективное соединение так, что это имитирует реакции реальных синапсов во времени. Команда демонстрирует такие поведения, как кратковременная и долговременная память, циклы обучение–забывание–переобучение и классическое обусловливание, все напрямую управляемые светом.

От одного устройства к интеллектуальным системам зрения

Чтобы показать практический эффект, авторы построили концептуальную систему распознавания изображений, использующую множество таких устройств параллельно. В этой схеме светозависимое синаптическое поведение захватывает и предварительно обрабатывает визуальные признаки, тогда как перенастраиваемое логическое поведение усиливает и фильтрует их разными способами. Сочетание этих ролей даёт точность распознавания около 97% на стандартном наборе изображений, превосходя систему, опирающуюся только на синаптическое поведение. В целом работа демонстрирует реалистичный путь к компактным чипам, которые могут ощущать, запоминать и вычислять на месте, открывая дверь для ультранизкоэнергетических камер, умных датчиков и нейроморфного оборудования зрения, которое работает гораздо ближе к биологической системе «глаз‑мозг», чем традиционный компьютер.

Цитирование: Zhi, J., Wen, Y., Chen, J. et al. Ferroelectricity-modulated asymmetric van der Waals heterostructure for ultralow-power neuromorphic synapse and logic-in-memory operations. Nat Commun 17, 3974 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70668-w

Ключевые слова: нейроморфное железо, вычисления в сенсоре, 2D-материалы, ферроэлектрические устройства, распознавание изображений