量子材料の記憶機能を実現する新しい仕組み(Jamming the Flow to Enable Memory in Quantum Materials)

2026-10-13 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)

米国カリフォルニア大学サンディエゴ校(UC San Diego)の研究チームは、二酸化バナジウム(VO₂)を用いた神経細胞模倣素子「ニューロリスタ」において、材料内部の流れを制御することで、情報の記憶と消去を切り替える仕組みを明らかにした。研究成果は学術誌 Nature Communications に2026年9月24日付で掲載された。研究チームは、電圧を印加して素子を動作させながら、コヒーレントX線回折を用いてナノスケールの領域構造の変化を観察した。その結果、材料内部の電子的・構造的な相転移に伴い、領域の動きが自由な状態から、互いの動きを妨げる「ジャミング状態」へ変化することを確認した。この状態では、素子が特定の状態を学習・保持でき、流れを再び自由にすると、その記憶が消去される。従来のデジタルメモリとは異なり、材料自体の相転移と履歴依存性を利用して、神経細胞やシナプスの学習・忘却機能を模倣する点が特徴である。本技術は、低消費電力のニューロモルフィック計算用ハードウェアの開発に役立つ可能性がある。ただし、現段階では材料・素子レベルの基礎研究であり、大規模な計算システムへの応用にはさらなる検証が必要である。

<関連情報>

金属-絶縁体スイッチングにおける妨害制御された確率性 Jamming-controlled stochasticity in metal-insulator switching

Nicolò D’Anna, Nareg Ghazikhanian, Katherine Matthews, Daseul Ham, Su Yong Lee, Alex Frano, Ivan K. Schuller & Oleg G. Shpyrko
Nature Communications  Published:24 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76844-2  Early provide

量子材料の記憶機能を実現する新しい仕組み(Jamming the Flow to Enable Memory in Quantum Materials)

Fig. 1 | X-ray diffraction and electrical setup.

Abstract

Understanding and controlling phase transitions is fundamental to physics and central to many technological revolutions. There is currently strong interest in materials with coupled structural and electronic phase transitions, where controlling the transition plasticity naturally yields built-in memory, key for emulating neurons and synapses in neuromorphic technologies. Here, operando coherent Bragg X-ray diffraction is used to study the evolution of the nano-domain distribution at the micron-scale in neuromorphic devices made from the archetypal Mott insulator vanadium dioxide. Electrical switching leads to nano-domain reconfiguration over thousands of seconds and a jamming transition. Repetitive above-threshold currents plastically drive the system into a jammed/glassy state where switching is deterministic. Sub-threshold currents erase the short-term memory defined by the nano-domain distribution, recovering stochastic switching, thus offering a path for in-device learning. These results highlight the importance of nanoscale physics in phase transitions, even for macroscopic devices, and offer guidance for future device operation.

0403電子応用
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