腦機啟偵丨單分子神經形態器件研究取得新進展（04.09）

近日，我國某研究團隊在單個分子上實現極低功耗的神經形態功能演示，相關研究成果以“Single-molecule neuromorphic device with aJ-level power consumption per switching”為題在線發表于Nature Communication。

當前用于大模型訓練與推理的高性能GPU單卡功耗通常已達數百瓦，先進器件如NVIDIA H100約為700瓦、B200約為1000瓦，而人腦僅需約20瓦的極低功耗即可高效完成感知、學習與記憶等復雜任務，顯示出生物智能在能效上的顯著優勢。生物智能之所以能以如此低的能耗實現復雜功能，其關鍵在于神經元之間通過突觸進行信息傳遞，并能通過“突觸可塑性”動態調節連接強度，這構成了生物智能低功耗運行的物理基礎。為模擬這一特性，開發具備多個穩定中間態的人工突觸器件已成為神經形態計算的核心訴求，而單分子器件因其極限的尺寸縮減潛力與理論低能耗，被認為是構建下一代類腦硬件的理想基元。然而，受制于分子在室溫下熱力學構象穩定性的局限，現有器件難以實現單分子水平上的多態非易失性電導調控。受生物突觸離子通道動力學啟發，在單分子尺度調控離子-分子靜電相互作用，為在單個分子中鎖定多個穩定構象、實現多態非易失性存儲提供了新思路。

研究團隊面向這一前沿問題，建立柵壓-偏壓脈沖協同調制方法，與中科院化學所張德清研究員合作，設計了噻吩-甲氧基苯O-S構象鎖分子（MeO-TBT），通過柵壓脈沖驅動電解質陽離子與O-S偶極發生離子-偶極作用削弱構象鎖，與此同時施加偏壓脈沖誘導噻吩-苯環骨架趨平，二面角變小從而提升單分子電導（圖a）。該單分子器件可模擬突觸可塑性行為，單次操作能耗低至約6.34阿焦耳（圖b），可實現超過10個可分辨電導態（圖c）。進一步地，器件進行了類腦任務演示，包括巴甫洛夫聯想學習（圖d）和摩斯電碼識別（圖e），說明該器件不僅能“感知”刺激，還具備初步“學習”和“識別”能力。為揭示器件為何能夠實現多態存儲與記憶，研究團隊進一步結合大規模分子動力學模擬、透射譜和能量計算發現：在不同離子-偶極作用距離下，分子處于不同耦合/解耦狀態，透射效率隨之系統變化；再結合離子擴散弛豫與分子多個低能壘構象分布，共同解釋了器件的多電導態和非易失記憶行為。該研究表明，離子-分子協同調控為單分子神經形態器件提供了一條可編程、可解釋的新路徑，也為發展原子級、超低功耗智能芯片提供了新思路。

來源：Nature

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-71127-2

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