中國科大團隊在人工神經元突觸的量子成像取得重要進展

近日，中國科大郭光燦院士團隊孫方穩課題組和國家同步輻射實驗室/核科學技術學院鄒崇文課題組合作，制備了基于二氧化釩(VO?)相變薄膜的類腦神經元器件，并利用金剛石中氮-空位（NV）色心作為固態自旋量子傳感器探測了神經元突觸在外部刺激下的動態連接，展示了類腦神經系統中多通道信號傳遞和處理過程。這項研究成果近日以“Quantum imaging of the reconfigurable VO?synaptic electronics for neuromorphic computing”為題發表于國際權威期刊《Science Advances》(Science Advances 9, eadg9376 (2023))。

圖1.類腦神經元動態網絡結構示意圖

類腦神經元器件，即通常所說的類腦芯片，是指利用神經形態器件去模擬人腦中的神經元、突觸等基本功能，再進一步將這些神經形態器件聯結成人工神經網絡，以模擬“大腦”的信息處理和存儲等復雜功能。二氧化釩(VO?)作為典型的氧化物量子材料，在近室溫附近具有可逆的絕緣-金屬相變，是制備高開關比突觸器件的理想材料。本研究中課題組研究人員基于近十年VO?的研究基礎，利用氧化物分子束外延設備克服了高純相結構的單晶二氧化釩薄膜的制備瓶頸，生長了高質量二氧化釩外延薄膜，并通過微納加工制備了生物神經元和突觸陣列，實現了電場調制和激光誘導下多通道VO?雙端器件的選擇性電路導通，從而直接模擬了神經元之間的突觸動態連接過程。這種突觸之間的連接體現在VO?導電絲的形成和空間位置的選擇性，并直接受到外加電場和作為外加刺激的激光信號的調制。

圖2.外加電場和激光調制下的VO?導電絲形成的金剛石NV量子成像

此外對于神經元突觸單元之間的動態連接過程，實驗人員創新性利用金剛石NV色心作為固態自旋量子傳感器探測了導電絲的形成和實時成像。由于VO?相變體系的光熱敏感性，相對于傳統的顯微成像技術，比如偏振紅外、拉曼或者近場光學(s-SNOM)等成像技術，采用基于金剛石NV色心的量子傳感方法避免了成像過程中測量系統激光信號的干擾，從而在研究外加刺激激光信號調制下突觸單元的動態連接和實時成像方面顯示出了獨特優勢。這種量子傳感成像技術清晰的揭示了基于VO?類腦神經系統中多通道信號處理和傳導途徑與外在刺激之間的關聯，為構筑大規模人工突觸分層組織和神經形態結構提供了直接的實驗依據。

圖3.在Science Advances期刊首頁上的Feature Image介紹

本工作發表后被Science Advances期刊網站首頁以“Quantum imaging of artificial synapses”作為Featured image加以推介。

本文第一作者為中科院量子信息重點實驗室博士后馮策和國家同步輻射實驗室博士生李博文，通訊作者為孫方穩教授和鄒崇文研究員。該工作得到了科技創新2030重大項目、中國科學與穩定支持基礎研究領域青年團隊項目、國家自然科學基金、前沿科學重點研究計劃、合肥大科學中心項目、中央高校基本科研業務費等項目的支持。