Studenci - aktualności
Kuweta do pomiarów fotoelektrochemicznych, w której badane są sztuczne synapsy, fot. Marianna Cielecka
Sztuczne synapsy to układy wzorowane na mechanizmach zachodzących w układzie nerwowym, które do przetwarzania informacji wykorzystują efekt fotoelektryczny. Badacze z Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH mają pomysł, jak rozszerzyć ich możliwości w tym zakresie. Projektowane przez nich rozwiązania w niektórych zastosowaniach mogą stworzyć alternatywę dla cyfrowej sztucznej inteligencji albo np. posłużyć do budowy bionicznego oka.
Wzrok to jedno z najważniejszych narzędzi, w jakie do życia wyposażyła nas natura. Widzimy dzięki temu, że światło odbite od otoczenia odbierane jest przez znajdujące się w oku fotoreceptory. Uzyskana tą drogą informacja jest przekształcana na impuls elektryczny, który za pośrednictwem połączeń synaptycznych przekazywany jest do kolejnych komórek układu nerwowego, a nasz mózg przekształca je w obrazy. Naukowcy próbują naśladować ten mechanizm, tworząc sztuczne synapsy, które mogłyby znaleźć zastosowanie w procesach przetwarzania informacji. Oparte na nich układy, w przeciwieństwie do stosowanych przez nas komputerów, byłyby pozbawione tzw. wąskiego gardła von Neumanna. Mogą one bowiem zapamiętywać i przetwarzać informacje, podczas gdy moc obliczeniowa dzisiejszych urządzeń ograniczona jest na skutek konieczności przesyłania danych pomiędzy pamięcią a procesorem.
Od efektu fotoelektrycznego od sztucznej synapsy
Sztuczna synapsa to prosty w gruncie rzeczy układ w postaci elektrody pokrytej cienką warstwą światłoczułego półprzewodnika, który pod wpływem impulsu świetlnego generuje prąd. Obserwowane zjawisko związane jest ze zmianą struktury elektronowej materiału. W półprzewodnikach elektrony okupują dwa stany energetyczne: pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa, które rozdzielone są pasmem wzbronionym. Elektrony w paśmie walencyjnym półprzewodników związane są z jądrami w atomach, w związku z czym nie mogą uczestniczyć w przepływie prądu. Kiedy jednak od fotonów światła zaabsorbują pewną graniczną ilość energii, zostają wytrącone do pasma przewodnictwa. Wakujące miejsca mogą uczestniczyć w przepływie prądu, zwiększając tym samym przewodnictwo materiału, albo też być zajmowane przez wolne elektrony przeskakujące z pasma przewodnictwa.
– Z jednej strony zachodzą wówczas procesy rekombinacji, a z drugiej elektrony są przekazywane do elektrody i rejestrujemy sygnał w postaci fotoprądu – wyjaśnia dr Agnieszka Podborska z Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH, która wraz zespołem prowadzi badania nad możliwościami używania materiałów półprzewodnikowych w sztucznych synapsach.
Model sztucznej synapsy, czyli szklana elektroda ITO pokryta warstwą wanadanu bizmutu, fot. Marianna Cielecka
Sam efekt fotoelektryczny jest znany od dawna i wykorzystywany praktycznie m.in. w bateriach słonecznych, fotodiodach czy matrycach cyfrowych aparatów fotograficznych. Ale w jaki sposób zjawisko generowania fotoprądu może zostać wykorzystane do zapamiętywania i przetwarzania informacji? Otóż w zależności od użytego materiału oraz parametrów wiązki świetlnej, odpowiedź półprzewodnika na zadany impuls może mieć różne warianty. Naukowcy dysponują natomiast coraz doskonalszymi narzędziami do rejestrowania sygnałów i ich analizy. To natomiast otwiera możliwość do tego, żeby za pomocą światła kodować na synapsie różne dane.
– W półprzewodniku mamy też stany pułapkowe, gdzie również mogą trafiać elektrony. Zostają tam uwięzione i ani nie ulegają rekombinacji, ani nie dają sygnału. Jeśli elektrony po pierwszym bądź kolejnych impulsach świetlnych wędrują do stanów pułapkowych, obserwowany sygnał jest słabszy. Wraz z wypełnianiem tych poziomów, jego siła rośnie. W pewnym momencie uzyskujemy plato i większej intensywności sygnału nie jesteśmy już w stanie osiągnąć. Kiedy sygnały są coraz silniejsze, mówimy o procesie uczenia się, a gdy słabną – zapominania – tłumaczy dr Podborska.
Jak naukowcy uczą układ rozpoznawania wzorów
W idealnych warunkach odpowiedź półprzewodnika na impulsy świetlne o stałych parametrach powinna być zawsze taka sama. Badacze z ACMiN AGH wykorzystali tę zależność, tworząc układ oparty o elektrodę pokrytą siarczkiem kadmu, a następnie zademonstrowali jego możliwości w zakresie rozpoznawania odręcznie pisanych cyfr. Praca na ten temat została opublikowana w magazynie „Molecules”. Naukowcy posłużyli się w badaniu zbiorem 100 próbek, z których każda zawierała cyfry od 1 do 9. Każda z nich została podzielona na piksele w taki sposób, że pojedyncze pola zawierały albo tło, albo fragment znaku. Następnie obrazy zostały przetworzone na ciągi bitowe i każda cyfra była kodowana na synapsie za pomocą serii impulsów świetlnych.
Dr Podborska opisuje, na jakich zasadach opisane przez pracowników AGH urządzenie rozpoznaje wzory:
– Jeśli piksel zawiera tło, przypisujemy mu wartość „0”, kiedy natomiast mieści fragment znaku – wartość „1”. Później uczymy się, jak układ reaguje w zależności od tego, czy świecimy światłem bądź nie. Następnie tworzymy swego rodzaju mapy, na podstawie których określamy, czy sygnał generowany przez nasz materiał odtwarza badany kształt. W kolejnym kroku przygotowujemy bazy danych z takich pojedynczych map. Kiedy później weźmiemy losowo wybrany znak, możemy porównać, czy odpowiedź układu pokrywa się z którąś z wcześniejszych. Tutaj duże znaczenie ma statystyka – żeby dobrze poznać odpowiedzi układu, trzeba wykonać setki a nawet tysiące pomiarów.
Czy sztuczna synapsa stanie się wrażliwa na kolory?
W opisanym wyżej przykładzie pracownicy AGH świecili światłem o stałej długości fali i intensywności. Jak jednak pokazali w swojej kolejnej publikacji, która ukazała się na łamach prestiżowego magazynu „Nature Communications”, intensywność światła również ma wpływ na zmiany w strukturze elektronowej półprzewodników. Opisany efekt LIIPS (ang. Light Intensity Induced Photocurrent Switching Effect) otwiera przed naukowcami zupełnie nowe możliwości w zakresie kodowania i przetwarzania informacji. Dr Podborska chce je wykorzystać w ramach obecnie kierowanego przez siebie projektu, który kontynuuje poprzednio prowadzone w ACMiN badania.
– Wcześniej świeciliśmy światłem o stałej intensywności, teraz chcemy ją zmieniać. O ile poprzednio udało nam się rozpoznawać obrazy czarno-białe, teraz spróbujemy to rozszerzyć o odcienie szarości, albo nawet inne kolory. Wszystko zależy od tego, jaką uzyskamy odpowiedź materiału – deklaruje badaczka z AGH.
Dr Agnieszka Podborska, fot. Marianna Cielecka
Tym razem jednak zespół kierowany przez dr Podborską będzie pracować z innymi rodzajami półprzewodników. Naukowcy szczególne nadzieje wiążą z wanadanem bizmutu.
– Szukamy materiałów, które będą generowały powtarzalne sygnały i będą cechowały się innymi stanami pułapkowymi czy większą odpornością na światło, co stanowi istotny problem w tej dziedzinie. Siarczek kadmu, którego używaliśmy wcześniej, jest podatny na fotokorozję. Jego struktura ulega w wyniku tego zniszczeniu, co wyklucza go z praktycznych aplikacji. Wanadan bizmutu wydaje się pod tym względem bardziej stabilnym materiałem – wyjaśnia badaczka z AGH.
Synteza nieidealnych kryształów kluczem do sukcesu
Naukowcy z AGH w ramach projektu nie tylko zamierzają badać, jak reagują na światło znane już materiały. Chcą również wprowadzać modyfikacje, które rozszerzą spektrum ich odpowiedzi w tym zakresie.
– Poprzez domieszkowanie w objętości możemy wpływać na strukturę krystalograficzną materiału, która będzie generowała dodatkowe stany pułapkowe. Możemy również modyfikować powierzchnię zewnętrzną półprzewodnika, np. cząsteczkami organicznymi, które będą miały funkcję donora lub akceptora elektronów – czyli będą albo wyłapywały, albo dostarczały elektrony do półprzewodnika. Naszym celem jest dokładne poznanie tych mechanizmów, bo w zależności od metod syntezy, które wybierzemy, otrzymamy mniej lub bardziej zdefektowane materiały – wyjaśnia dr Podborska.
Uchwyt do pomiarów termoelektrycznych, fot. Marianna Cielecka
Badaczka zastrzega, że w tym wypadku defekty materiału nie stanowią wady, tylko warunkują zdolność opartego na nich układu do uczenia się:
– Materiały muszą być zdefektowane, bo jeśli miałby strukturę idealnego kryształu, nie obserwowalibyśmy zjawiska fotoprądu. Gdyby nie było stanów pułapkowych, procesy rekombinacji byłyby bardziej wydajne niż procesy wzbudzania półprzewodnika i zachodziłaby natychmiastowa rekombinacja bez stanów pośrednich, po których np. półprzewodnik wraca do stanu podstawowego. Wówczas nie moglibyśmy użyć takich materiałów do przetwarzania informacji.
Światło może być nośnikiem różnych informacji
W ACMiN AGH prowadzone są również badania nad zastosowaniem sztucznych synaps do rozpoznawania innych wzorów niż obrazy.
– Mogą to być m.in. dźwięki, czyli mowa i muzyka. W naszym zespole prowadzone są badania, gdzie staramy się dźwięki przełożyć na impulsy światła o odpowiedniej częstotliwości. Rejestrując sygnały generowane przez półprzewodnik jesteśmy w stanie wówczas rozpoznać, czy mamy do czynienia z dysonansem czy konsonansem. Mam nadzieję, że nasze badania uczynią krok naprzód i uda się np. połączyć kilka synaps z różnych półprzewodników, które będą reagowały w innych zakresie. Wtedy będziemy mogli rozpoznawać bardziej skomplikowane wzory, np. trójwymiarowe. Potrafię to sobie wyobrazić, choć nie mam jeszcze w głowie technicznego rozwiązania – mówi dr Podborska.
Czas pokaże, czy w miarę rozwoju technologii układy oparte o sztuczne synapsy zastąpią w jakichś aplikacjach cyfrową sztuczną inteligencję i komputery, czy też pozostaną jedynie ciekawostką. Niezależnie od tego, dokładniejsze poznanie mechanizmów stojących za efektem fotoelektrycznym może przełożyć się na zwiększenie możliwości kształtowania parametrów półprzewodników i otworzyć nowe perspektywy ich stosowania nie tylko w optoelektronice.
Projekt „Przełączniki fotoelektrochemiczne sterowane intensywnością światła” został dofinansowany w ramach programu OPUS-24 realizowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Zbiórka gadżetów na kiermasz charytatywny 
Wejdź do świata odległej przyszłości. Larp „Pierwiastek Rosena” 
Prezentacja wyborcza kandydata na rektora AGH prof. Jerzego Lisa 
Profesor Jerzy Lis ponownie Rektorem AGH