上海光机所在光电子神经突触研究方面取得新进展

近日，中科院上海光机所光电前沿交叉部王俊研究员团队在人工光电突触与神经形态计算研究方面取得新进展。第一作者相关研究成果以“Moiré Superlattices-Based Artificial Optoelectronic Neuro-Synapses for Long-Term Information Retention”为题，发表在Laser & Photonics Reviews 。

受大脑突触可塑性启发的人工突触器件，是构建低功耗、高效率神经形态计算系统的核心单元。其中，能够同时响应光信号和电信号的光电突触，因兼具高速、高带宽和低串扰等优势而受到广泛关注。近日，研究团队利用莫尔超晶格结构，构建了一种新型人工光电神经突触，在长期信息保持方面取得了重要进展。

该器件基于二维材料堆叠形成的莫尔超晶格。当两层二维材料以微小旋转角度叠放时，会形成周期性的莫尔势，显著改变材料的电子能带结构和光学性质。研究团队借助这一物理体系，将光脉冲作为突触前信号，通过莫尔超晶格中形成的强关联电子态或激子态，有效捕获和释放载流子，从而实现对器件电导的非易失性调控。这种光写入、电读出的工作模式，模拟了生物突触的长时程增强和长时程抑制行为。

尤为关键的是，莫尔超晶格中存在的深层电荷俘获态和平坦能带，使得光生载流子能够在较长时间内被束缚，延缓了复合过程，因此器件的突触权重在无外加能量的情况下仍能持久维持，实现了稳定的长期信息保留。这一物理机制有别于传统浮栅晶体管或阻变存储器中依赖离子迁移和导电细丝的方式，为提升人工突触的记忆时间提供了新思路。

实验结果显示，该光电突触器件展现了优异的光电调控能力，突触可塑性持续时间达到数千秒以上，并进行了联想学习训练与神经网络仿真。这表明其在构建大规模神经形态视觉感知系统、片上光互连等应用中具有重要潜力。

该研究从莫尔超晶格独特的周期势和电子结构出发，揭示了通过光与物质的相互作用实现稳定突触记忆的物理途径，为发展新一代人工光电神经突触器件和低能耗类脑计算硬件提供了科学基础。

这项工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

相关链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.71303