La emisión de luz observada (“brillo”) de los canales del dispositivo NBO2 mientras se somete al umbral cambiando de un estado de resistencia alta a baja. Crédito: Mahnaz Islam, Stephanie Bohaichuk et al. (Nature Electronics, 2025). Doi: 10.1038/s41928-025-01406-1.
En las últimas décadas, los ingenieros han introducido una amplia gama de sistemas informáticos inspirados en el cerebro humano o diseñados para emular algunas de sus funciones. Estos incluyen dispositivos que reproducen artificialmente el comportamiento de las células cerebrales (p. Ej., Neuronas), procesando y transmitiendo señales en forma de pulsos eléctricos.
La mayoría de los dispositivos inspirados en neuronas desarrollados hasta ahora usan electrones o fotones para procesar y transmitir información, en lugar de integrar los dos. Esto se debe a que los sistemas fotónicos y electrónicos generalmente tienen arquitecturas muy diferentes, y la conversión de las señales en las que confían puede ser un desafío y conducir a pérdidas de energía.
Investigadores de la Universidad de Stanford, los Laboratorios Nacionales de Sandia y la Universidad de Purdue desarrollaron recientemente nuevos dispositivos electroópticos que pueden imitar pulsos eléctricos tipo neuronas y emultáneamente emitir luz oscilante. Estos dispositivos, denominados neuronas de Mott electroóptica, se introdujeron en un documento publicado In Nature Electronics.
“Este trabajo comenzó como un estudio simple de conmutación en dispositivos de dióxido de niobio (NBO2)”, dijo Eric Pop, co-senior autor del periódico, a Tech Xplore. “Si bien los monitoreamos ópticamente para detectar signos de descomposición eléctrica, notamos un brillo visible inesperado y brillante del canal NBO2. La emisión de luz ocurrió solo durante la conmutación de la resistencia eléctrica de los dispositivos, y esto nunca antes se había informado, hasta donde sabemos.
El primer objetivo de este trabajo reciente de Pop y sus colegas fue determinar el rango espectral de la emisión que notaron en los dispositivos NBO2. Además, los investigadores esperaban determinar si esta emisión observada oscilaría sincronizar con oscilaciones eléctricas, que es algo por lo que los dispositivos NBO2 ya son conocidos. Finalmente, también querían comprender mejor los orígenes de la inesperada emisión de luz que habían observado.
“Comenzamos con películas delgadas de NBO2 depositadas por pulverización, luego utilizamos técnicas de fabricación estándar para hacer dispositivos a escala de micrómetro con dos contactos de metal”, explicó Mahnaz Islam, primer autor de The Paper.
“Estos dispositivos funcionan a través de la conmutación similar a la neuronal, donde la resistencia cambia de manera abrupta y reversible una vez que se excede un voltaje umbral. Este cambio se acompaña de una inestabilidad electrónica que puede impulsar oscilaciones autodesustadas en el dispositivo, lo que les permite imitar la actividad de picos dinámica de las neuronas biológicas”.
Curiosamente, los investigadores observaron que durante el proceso de conmutación eléctrica, el canal NBO2 en sus dispositivos también emitió luz visible, lo que significa que cada pico transportaba una firma eléctrica y óptica que se sincronizaba perfectamente en el tiempo. Esta fue la primera vez que esta sincronización electroóptica se observó en un dispositivo electrónico inspirado en neuronas.
“La emisión de luz observada en estos dispositivos ocurre en las longitudes de onda de rango visible y se sincroniza perfectamente con las oscilaciones eléctricas en NBO2”, dijo el Islam.
“Al combinar nuestros resultados experimentales con literatura previa, pudimos proponer un origen electrónico para esta emisión, completando la demostración de prueba de concepto. La ventaja clave es que estas neuronas Mott electroópticas se fusionan el cálculo y la comunicación en un solo elemento, evitando la necesidad de fuentes de luz separadas u transductores ópticos”.
Video Captura de emisión de luz en dispositivos NBO2 durante la conmutación de umbral eléctrico que se muestra en la Fig. 2B. Crédito: Nature Electronics (2025). Doi: 10.1038/s41928-025-01406-1
Los esfuerzos anteriores destinados a conectar procesadores eléctricos con interconexiones ópticas se basaron en varios componentes diferentes y estrategias costosas de conversión de energía. En contraste, el dispositivo desarrollado por este equipo de investigación produce picos eléctricos con pulsos de luz visibles simultáneos, un fenómeno que podría aprovecharse para realizar una señalización óptica de largo alcance que se sincroniza con el procesamiento eléctrico local.
“Esta capacidad de doble dominio tiene importantes implicaciones”, dijo el Islam. “Por ejemplo, en metrología, los picos ópticos y eléctricos sincronizados ofrecen una nueva forma de sondear los sistemas de electrones correlacionados en tiempo real. En la visión por computadora, estas neuronas podrían integrarse directamente con los sensores ópticos para el procesamiento compacto en el sensor.
“En cuanto a la computación y la comunicación electroóptica, la eliminación de los transductores separados podría permitir sistemas neuromórficos densos donde los pulsos ópticos manejan conexiones de alta velocidad y largo alcance, mientras que los estados eléctricos realizan computación y memoria locales”.
Este artículo reciente podría abrir nuevas posibilidades para la realización de dispositivos inspirados en neuronas, ya que podría permitir a los ingenieros combinar de manera confiable funciones eléctricas y ópticas en un solo sistema sin la necesidad de estrategias de conversión de equipos o señales costosas. Los investigadores ahora esperan continuar mejorando las neuronas artificiales que desarrollaron y ampliando sus capacidades.
“En el trabajo futuro, planeamos escalar e integrar las neuronas electroópticas NBO2 en matrices más grandes donde los dispositivos pueden comunicarse ópticamente entre sí, permitiendo el estudio de la señalización mediada por la luz en las redes neuromórficas”, dijo el Islam.
“Nuestros dispositivos actuales aún no están optimizados para capturar o guiar la luz de manera eficiente, por lo que nuestro objetivo es aplicar estrategias de ingeniería óptica, como las guías de onda de patrón en chip para canalizar la luz emitida”.
El Islam y sus coautores también les gustaría mejorar la calidad de las muestras de material utilizadas para crear las neuronas Mott electroópticas, ya que esto podría aumentar aún más la eficiencia de conversión de los dispositivos. Esto podría lograrse pasivando defectos no radiactivos, incorporando centros de luminiscencia para ajustar las longitudes de onda de emisión, optimizando la geometría general de los dispositivos y las estructuras de protección para mejorar la eficiencia de la extracción de luz.
“La informática óptica ha recorrido un largo camino en las últimas décadas, al permitir tipos de procesamiento de información con luz que no es fácil con la electrónica pura tradicional”, dijo Suhas Kumar, autora de los documentos. “Sin embargo, su integración en circuitos electrónicos prevalecientes sigue siendo desafiante. Nuestra solución puede cerrar esta brecha desafiante, que planeamos explorar, y esperamos que muchos grupos en todo el mundo también lo hagan”.
Escrito para usted por nuestro autor Ingrid Fadellieditado por Gaby Clarky verificado y revisado por Robert Egan—Este artículo es el resultado de un trabajo humano cuidadoso. Confiamos en lectores como usted para mantener vivo el periodismo científico independiente. Si este informe le importa, considere un donación (especialmente mensual). Obtendrá una cuenta sin anuncios como agradecimiento.
Más información: Mahnaz Islam et al, una neurona Mott electroóptica basada en dióxido de niobio, Nature Electronics (2025). Dos: 10.1038/s41928-025-01406-1.
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Cita: neuronas Mott electroópticas hechas de dióxido de niobio creado para computación inspirada en el cerebro (2025, 27 de agosto) Recuperado el 27 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-ectro-optical-mott-neurons-niobium.html
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