Un transistor imita una sinapsi e classifica i battiti cardiaci

Un singolo transistor, un dispositivo delle dimensioni di un comune chip da laboratorio, svolge oggi due compiti che di solito richiedono componenti separati: ricorda ciò che è avvenuto prima ed elabora un segnale in tempo reale. All'Università di Tokyo, un team guidato da Daisuke Kiriya, con Durgadevi Elamaran e colleghi, ha dimostrato in laboratorio che questa combinazione funziona sui tracciati elettrocardiografici (ECG) del cuore. I risultati sono pubblicati sulla rivista ACS Nano.

La strada abituale per realizzare un dispositivo di memoria consiste nel collocare un materiale di commutazione in tutto il canale che trasporta la corrente. Il team di Tokyo ha imboccato un'altra strada. Ha lavorato su un memtransistor planare a MoS₂, un transistor realizzato con disolfuro di molibdeno, un semiconduttore bidimensionale, e ha trattato solo i punti in cui gli elettrodi metallici incontrano il materiale, con una fase a base di soluzione che usa AuCl₃. Questo trattamento modifica il modo in cui la carica viene intrappolata e rilasciata all'interfaccia, il che a sua volta altera la barriera energetica, detta barriera di Schottky, che controlla l'iniezione dei portatori nel canale. Le misure del team, condotte in funzione della temperatura, collocano la barriera effettiva a circa 40,8 meV nei dispositivi non trattati e a circa 196 meV dopo il trattamento. Gli autori descrivono la commutazione risultante come graduale e bipolare, con il canale stesso rimasto in gran parte invariato.

Il dispositivo è stato quindi sottoposto a un test per comportarsi come una sinapsi, la giunzione tra due neuroni la cui intensità cambia con l'uso. Sottoposto a impulsi di tensione, ha mostrato una potenziazione e una depressione graduali, cioè la sua conduttanza è aumentata o diminuita passo dopo passo, e la sua risposta dipendeva dall'ampiezza e dalla tempistica degli impulsi. La risposta a impulsi doppi presentava componenti sia rapide sia lente, che il team collega a più di un processo di rilassamento della carica all'interfaccia.

Il test sul battito cardiaco è stato quello in cui il dispositivo ha dovuto sfruttare il tempo. Il team ha fatto funzionare il transistor come riserva fisica, una configurazione in cui un sistema dinamico trasforma un segnale in ingresso e uno strato di lettura semplice ne interpreta il risultato. Invece di una matrice di dispositivi, un unico memtransistor è stato fatto funzionare con 10 nodi virtuali a multiplexing temporale, cioè un solo dispositivo è stato letto in dieci istanti successivi per sostituire dieci unità separate. Il team ha lavorato su 23.818 segmenti di battito cardiaco del database di aritmie MIT-BIH, usandone 19.053 per l'addestramento e 4.765 per il test. Per distinguere i battiti normali dai battiti ectopici ventricolari, quelli anomali che hanno origine nelle camere inferiori del cuore, l'analisi ha raggiunto un'area sotto la curva ROC pari a 0,965 e un'accuratezza complessiva del 93,9%. I ricercatori sono espliciti: non si tratta di un sistema diagnostico, ma di una dimostrazione di elaborazione temporale del segnale con un singolo dispositivo a contatti ingegnerizzati, nulla di più.

Che cosa cambia, e per chi? Gli autori non indicano alcuna tempistica, e l'elenco delle questioni aperte è lungo: l'integrazione su larga scala, l'affidabilità nel lungo periodo e la compatibilità con la produzione devono ancora essere valutate. Tuttavia, il progetto indica una strada concreta. La commutazione è localizzata all'interfaccia metallo-MoS₂, e il trattamento è una fase di lavorazione in soluzione compatibile con la litografia, il metodo di strutturazione usato per fabbricare i chip. Per gli ingegneri che progettano circuiti a basso consumo chiamati ad analizzare localmente i segnali, come i monitor indossabili, un elemento che unisce memoria ed elaborazione in un solo dispositivo, invece che in una matrice, sarebbe un blocco costruttivo più semplice, a condizione che superi questi test. Finché il team o altri non riprodurranno questi valori su dispositivi realizzati fuori dal laboratorio, il dato del 93,9% resta un risultato di laboratorio.