Um transístor imita uma sinapse e separa batimentos, em laboratório

Um único transístor, um dispositivo com o tamanho de um chip de laboratório comum, desempenha agora duas funções que normalmente exigem componentes separados: lembra-se do que veio antes e processa um sinal em tempo real. Na Universidade de Tóquio, uma equipa liderada por Daisuke Kiriya, com Durgadevi Elamaran e colegas, demonstrou que esta combinação funciona em laboratório com registos de eletrocardiograma (ECG) do coração. Os resultados foram publicados na revista ACS Nano.

O caminho habitual para um dispositivo de memória consiste em colocar um material de comutação ao longo de todo o canal por onde passa a corrente. A equipa de Tóquio seguiu outro caminho. Trabalhou com um memtransístor planar de MoS₂, um transístor feito de dissulfureto de molibdénio, um semicondutor bidimensional, e tratou apenas os pontos onde os elétrodos metálicos encontram o material, através de um passo em solução com AuCl₃. Esse tratamento altera a forma como a carga fica retida e libertada na interface, o que, por sua vez, modifica a barreira de energia, chamada barreira de Schottky, que controla a injeção de portadores no canal. As medições da equipa, feitas em função da temperatura, situam a barreira efetiva em cerca de 40,8 meV nos dispositivos não tratados e em cerca de 196 meV após o tratamento. Os autores descrevem a comutação resultante como suave e bipolar, com o próprio canal praticamente inalterado.

Depois, pediu-se ao dispositivo que se comportasse como uma sinapse, a junção entre dois neurónios cuja força muda com a utilização. Sob impulsos de tensão, mostrou potenciação e depressão graduais, ou seja, a sua condutância subia ou descia passo a passo, e a resposta dependia da amplitude e do momento dos impulsos. A sua resposta a pares de impulsos tinha componentes rápidas e lentas, que a equipa associa a mais do que um processo de relaxamento de carga na interface.

O teste dos batimentos cardíacos é onde o dispositivo teve de usar o próprio tempo. A equipa fez funcionar o transístor como um reservatório físico, uma montagem em que um sistema dinâmico transforma um sinal de entrada e uma camada de leitura simples interpreta o resultado. Em vez de uma matriz de dispositivos, um único memtransístor foi operado com 10 nós virtuais multiplexados no tempo, o que significa que o dispositivo foi lido em dez instantes sucessivos para fazer o papel de dez unidades separadas. A equipa trabalhou com 23 818 segmentos de batimentos cardíacos da base de dados de arritmias MIT-BIH, usando 19 053 para treino e 4 765 para teste. Para distinguir batimentos normais de batimentos ventriculares ectópicos, os batimentos anómalos que se originam nas câmaras inferiores do coração, a análise atingiu uma área sob a curva ROC de 0,965 e uma exatidão global de 93,9 %. Os investigadores são explícitos: isto não é um sistema de diagnóstico, demonstra apenas o processamento temporal de sinais com um único dispositivo de contactos projetados, nada mais.

O que muda, e para quem? Os autores não apresentam qualquer calendário, e a lista das suas próprias questões em aberto é longa: a integração em grande escala, a fiabilidade a longo prazo e a compatibilidade com a produção industrial continuam por avaliar. Ainda assim, o desenho aponta para um caminho concreto. A comutação está localizada na interface metal-MoS₂, e o tratamento é um passo de processamento em solução compatível com a fotolitografia, o método de padronização usado para fabricar chips. Para os engenheiros que desenvolvem circuitos de baixo consumo que têm de analisar sinais localmente, como monitores de uso no corpo, um elemento de memória e processamento que cabe num único dispositivo, em vez de uma matriz, seria um bloco de construção mais simples, desde que resista a esses testes. Até que a equipa ou outros reproduzam estes números em dispositivos fabricados fora do laboratório, o valor de 93,9 % continua a ser um resultado de laboratório.