Un transistor imita una sinapsis y clasifica latidos, en laboratorio

Un único transistor, un dispositivo del tamaño de un chip de laboratorio estándar, realiza ahora dos funciones que normalmente requieren componentes separados: recuerda lo que ocurrió antes y procesa una señal en tiempo real. En la Universidad de Tokio, un equipo dirigido por Daisuke Kiriya, junto con Durgadevi Elamaran y colegas, ha demostrado en laboratorio que esta combinación funciona con registros de electrocardiograma (ECG) del corazón. Los resultados aparecen en la revista ACS Nano.

La vía habitual para un dispositivo de memoria consiste en colocar un material de conmutación a lo largo de todo el canal por el que circula la corriente. El equipo de Tokio tomó otro camino. Trabajó con un memtransistor plano de MoS₂, un transistor fabricado con disulfuro de molibdeno, un semiconductor bidimensional, y trató solo los puntos donde los electrodos metálicos encuentran el material, mediante un paso de tratamiento en solución con AuCl₃. Ese tratamiento cambia la forma en que la carga queda atrapada y liberada en la interfaz, lo que a su vez modifica la barrera energética, llamada barrera Schottky, que controla cómo se inyectan los portadores en el canal. Las mediciones del equipo en función de la temperatura sitúan la barrera efectiva en unos 40,8 meV en los dispositivos sin tratar y en unos 196 meV después del tratamiento. Los autores describen la conmutación resultante como suave y bipolar, con el canal prácticamente sin modificar.

A continuación, se pidió al dispositivo que se comportara como una sinapsis, la unión entre dos neuronas cuya intensidad cambia con el uso. Bajo pulsos de tensión mostró potenciación y depresión graduales, es decir, su conductancia subía o bajaba paso a paso, y su respuesta dependía de la amplitud y del momento de los pulsos. Su respuesta a pulsos pareados tenía componentes rápidos y lentos, que el equipo relaciona con más de un proceso de relajación de la carga en la interfaz.

La prueba con latidos fue el momento en que el dispositivo tuvo que utilizar el propio tiempo. El equipo hizo funcionar el transistor como un reservorio físico, una configuración en la que un sistema dinámico transforma una señal de entrada y una capa de lectura sencilla interpreta el resultado. En lugar de una matriz de dispositivos, un solo memtransistor funcionó con 10 nodos virtuales multiplexados en el tiempo, lo que significa que el dispositivo se leyó en diez instantes sucesivos para hacer las veces de diez unidades separadas. El equipo trabajó con 23.818 segmentos de latidos de la base de datos de arritmias MIT-BIH, de los cuales usó 19.053 para el entrenamiento y 4.765 para las pruebas. Para distinguir los latidos normales de los latidos ectópicos ventriculares, es decir, los latidos anormales que se originan en las cámaras inferiores del corazón, el análisis alcanzó un área bajo la curva ROC de 0,965 y una precisión global del 93,9 %. Los investigadores son explícitos: no se trata de un sistema de diagnóstico, sino de una demostración de procesamiento temporal de señales con un único dispositivo diseñado a nivel de contactos, nada más.

¿Qué cambia, y para quién? Los autores no dan ningún calendario, y su propia lista de cuestiones pendientes es larga: la integración a gran escala, la fiabilidad a largo plazo y la compatibilidad con la fabricación industrial aún deben evaluarse. Aun así, el diseño apunta a una vía concreta. La conmutación se localiza en la interfaz metal-MoS₂, y el tratamiento es un paso de procesado en solución compatible con la fabricación litográfica, el método de patronado que se usa para fabricar chips. Para los ingenieros que diseñan circuitos de bajo consumo que deben analizar señales localmente, como los monitores portátiles, un elemento que combine memoria y procesamiento en un solo dispositivo, en lugar de una matriz, sería un bloque de construcción más sencillo, siempre que supere esas pruebas. Mientras el equipo u otros no reproduzcan estas cifras en dispositivos fabricados fuera del laboratorio, el 93,9 % seguirá siendo un resultado de laboratorio.