导读

近日，复旦大学物理系安正华课题组与上海科技大学材料器件中心宋艳汝团队合作，首次制备出了具有可重构感存算能力的超导红外探测器，该探测器的存储与计算能力源于其可被光电调控的超导双稳态效应，再结合超表面技术增强了其对长波红外的灵敏度。该研究成果为未来高灵敏的智能夜视红外感知、工业检测以及超导计算机提供了新的可能性。该工作以“Reconfigurable Memlogic Long Wave Infrared Sensing with Superconductors”为题发表于《Light: Science & Applications》。复旦大学物理系陈冰心博士生为第一作者，复旦大学物理系安正华研究员和上海科技大学宋艳汝副研究员为通讯作者。该课题受到国家自然科学基金委、上海市科委和上海市浦江人才计划等项目的支持。

研究背景

随着人工智能（AI）和物联网技术（IoT）的飞速发展，光学传感器的数量显著增加。这些传统的传感器生成了大量的非结构化和冗余的数据，数据传输到储存与计算单元的过程也会产生不必要的能耗和信息延迟。相较之下，人类视觉系统具有高效和低功耗的并行处理能力，能够同时实现图形的感知和处理。为了解决前面的冯诺依曼架构带来的问题，研究人员已经开发出基于各种不同材料体系的感存算系统，如2D材料、相变材料、铁电材料等体系。然而基于这些材料的感存算系统，往往受限于微弱的光响应率和大的带隙，使得在光运算过程需要高功率光源输入，并且在长波红外处还鲜有报导具备感存算能力的系统。而在红外领域，人工智能感知功能在诸多领域发挥着至关重要的作用，涉及范围包括但不限于热成像、监控、工业检测、气体检测、医学热成像、国防以及太空探索等多方面。

研究创新点

为了解决上述问题，寻求既具备记忆与运算功能又对红外辐射敏感的替代材料成为一项关键任务。超导体以其量子极限的光敏感特性及类似相变随机存取存储器（PCRAM）的显著相变能力而显得尤为适合。研究人员首次利用超导材料制备了具有感存算一体功能的长波红外超导探测器。不同于现有超导探测器，该器件工作于双稳态区域，在合适的光/电脉冲刺激下，器件能在超导态（0）与正常态（1）之间互相切换，并能够存储该状态。研究人员首先系统研究了其双稳态的物理机制，并利用该原理制备了具有丰富的可重构逻辑计算功能的单元探测器，如图1所示，电流偏置在不同的区域时能实现不同的光控逻辑运算。此外研究人员通过超材料吸收体的设计，使得该器件在长波红外处展示出了优异的探测性能（7.4×10⁸ V/W，1.2×10¹⁴ Jones @12.2 μm），从而可以实现对微弱光源物体的探测以及低功耗的光输入运算。

图1 、左图为器件结构示意图：（a）照光与非照光下的双稳态IV曲线；（b）(c）光/电写入与擦除和保存数据操作；（d）(e)不同电偏置下可重构逻辑电路原理图与实验数据；（f）12.2微米工作波段下的响应率。

研究人员还进一步探索了该器件在加密通讯、并行数据通讯和图片预处理等领域的可能运用，如图2所示。

图2 器件的初步应用场景展示

前景展望

该文提出的新型感存算一体超导红外探测器不但具有高灵敏的红外探测能力和存储与可重构逻辑计算能力，并且能够进行大规模集成且只需要两个电极作为读出电路,如图3所示。未来有望运用于通讯、超导计算机、人工智能图像处理以及智能片上光谱仪等领域。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图3 、（a）人工神经网络原理图；（b）基于本文器件的硬件人工神经网络原理之一；（c）两端口的硬件人工神经网络原理。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01424-2