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拓撲世界“新交規”！南京大學提出新型類腦計算方案
2024年07月08日 10:12:01
來源：化工儀器網 點擊量：9650
南京大學研究團隊的這一成果不僅在科學上具有重要的理論意義，還在技術應用上展現出廣闊的前景。
【化工儀器網 項目成果】南京大學物理學院繆峰教授、梁世軍副教授團隊聯合南京理工大學程斌教授通過構筑特殊堆垛構型的魔角石墨烯器件，觀測到電子型鐵電性與拓撲邊界態的共存，并基于可選擇的準連續鐵電開關，首次提出了噪聲免疫的類腦計算方案，該工作為開發基于拓撲邊界態的新型低功耗電子器件開辟了全新的技術路線。
傳統半導體芯片中的電子傳輸常受到散射作用，導致能量損耗大且效率低下就像在繁忙十字路口行駛的車輛，其運動軌跡往往是不規則的折線。相比之下，拓撲量子材料中的拓撲邊界態則如同電子傳輸的“高速公路”，運動軌跡是一條直線，這種運動方式排除了外界的干擾，實現低能耗的直線傳輸。“做一個大膽的猜測，如果這種電子傳輸的‘高速公路’能夠按需改變‘車流量’，也就是調控電子傳輸的‘流量’，就有望實現其在低功耗電子器件中的應用。”繆峰說。
莫爾超晶格材料是一類通過構筑特殊的二維材料異質結界面結構所形成的材料體系，在其界面處具有晶格常數遠大于初始二維材料的“超級”晶格。團隊構建了一個全新的莫爾異質結結構，通過一步步實驗，實現了陳數的非易失開關，這意味著鐵電陳絕緣體器件具有利用拓撲邊界態，實現信息存儲和運算功能的潛力。之后，研究團隊在魔角雙層石墨烯器件中實現了準連續鐵電態的開關功能。
最后，研究團隊利用鐵電陳絕緣體的拓撲邊界態作為信息載體，提出了噪聲免疫的類腦計算方案。其研究結果表明，相比于傳統的ReRAM器件，基于鐵電陳絕緣體器件的卷積神經網絡具有對噪聲免疫的特性，這表明拓撲保護的量子邊界態在類腦計算中具有巨大應用潛力。
南京大學研究團隊的這一成果不僅在科學上具有重要的理論意義，還在技術應用上展現出廣闊的前景。首先，它推動了拓撲量子材料在電子器件領域的應用研究，為開發新型低功耗電子器件提供了新的思路和方法。其次，噪聲免疫的類腦計算方案為未來人工智能和神經形態計算的發展提供了強有力的硬件支持，有望在未來實現更高效、更穩定的計算系統。最后，這一成果還促進了物理學、材料科學和計算機科學等多個學科的交叉融合，為科學研究的深入發展提供了新的動力。
相關研究成果Selective and quasi-continuous switching of ferroelectric Chern insulator devices for neuromorphic computing于近日發表在國際學術期刊《自然·納米技術》(Nature Nanotechnology)。
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