Kamera obserwująca ulicę rejestruje kolejne obrazy. Aby ustalić, w którą stronę jedzie rowerzysta, komputer musi porównać jego położenie na kilku z nich. W typowym systemie dane z czujnika trafiają do pamięci i procesora, który wykonuje obliczenia. Ich przesyłanie zajmuje czas i zużywa energię. Dlatego naukowcy szukają sposobów, by część analizy odbywała się już w samym czujniku. Do rozpoznawania zmian potrzebny byłby mu ślad tego, co zarejestrował przed chwilą.

Inspiracji dostarcza układ nerwowy. Komórki nerwowe przekazują sobie sygnały przez połączenia nazywane synapsami. Ich działanie zależy od wcześniejszej aktywności: w niektórych synapsach drugi z dwóch szybko następujących sygnałów wywołuje silniejszą odpowiedź. Połączenie przez pewien czas zachowuje więc ślad poprzedniego pobudzenia. Podobną zależność można uzyskać w elektronice.

Zespół z Politechniki Wrocławskiej i Instytutu Fizyki PAN zbadał w tym celu strukturę z cienkich warstw tlenku cynku i jego odmiany zawierającej kadm, umieszczonych na krzemie. Materiał zawierał również domieszkę europu - pierwiastka, którego dodatek zmienia właściwości elektryczne układu. Porównanie próbek wykazało, że przy jego małej zawartości struktura może działać jak sztuczna synapsa pobudzana światłem. Wyniki opisano w czasopiśmie „Advanced Functional Materials” (doi: 10.1002/adfm.78523).

Jak powstaje taka pamięć? Krzem pochłania światło, a dostarczona energia pozwala ładunkom elektrycznym przemieszczać się i wytwarzać prąd. Jego natężenie jest sygnałem, który można zmierzyć. Część ładunków zostaje jednak zatrzymana w materiale, w miejscach określanych jako pułapki. Pozostają tam jeszcze przez pewien czas po zgaszeniu światła.

Gdy kolejny błysk dociera, zanim uwięzione ładunki zostaną uwolnione, zastaje już zmieniony stan czujnika. Zachowane ładunki wpływają na przepływ prądu, dzięki czemu odpowiedź na następny sygnał może być silniejsza. Pamięć jest więc zapisana w chwilowym stanie elektrycznym materiału.

Aby sprawdzić ten mechanizm, fizycy oświetlali próbki seriami krótkich błysków i mierzyli wywołany przez nie prąd. Kolejne impulsy powodowały narastanie odpowiedzi. Efekt występował nawet przy błyskach trwających jedną dziesięciotysięczną sekundy, rozdzielonych przerwami pięć razy dłuższymi. W jednym z pomiarów drugi błysk wywołał odpowiedź o 47 proc. silniejszą niż pierwszy. Mimo tak szybkiego pobudzania poszczególne sygnały pozostawały rozróżnialne.

Szczególnie ciekawa była sytuacja między błyskami. Po wyłączeniu światła prąd niemal wracał do poziomu wyjściowego, ale czujnik nadal zachowywał pamięć poprzedniego pobudzenia. Ujawniała się ona dopiero przy następnym impulsie. Wydłużenie przerwy osłabiało ten efekt, ponieważ ładunki stopniowo opuszczały pułapki. Taka pamięć sama zanika, co pozwala układowi wrócić do początkowego stanu.

Opisane działanie uzyskano bez przyłożonego napięcia zasilającego - energię do wytworzenia sygnału dostarczało światło. To obiecująca cecha, lecz ocenę oszczędności całego urządzenia trzeba oprzeć także na kosztach energetycznych oświetlenia, odczytu i pozostałej elektroniki.

Czujniki zachowujące ślad niedawnych sygnałów mogłyby w przyszłości pomagać robotom lub innym urządzeniom śledzić zmiany w otoczeniu. Wstępne przetwarzanie odbywałoby się tam, gdzie dociera światło, ograniczając potrzebę przesyłania danych do dalszej analizy. Na razie badanie pokazuje działanie pojedynczego elementu. Wykorzystanie go w kamerze wymaga połączenia wielu takich czujników i sprawdzenia, jak ich krótkotrwała pamięć pomaga analizować rzeczywiste obrazy. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ zan/