Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EEUU), el padre de la twistrónica y de los materiales de moiré^(∗∗), es el físico español más firme candidato al Premio Nobel de Física^(∗). Ya obtuvo el premio Wolf en 2020, pero el Nobel requiere que algún dispositivo twistrónico logre un nicho tecnológico propio. Pablo lo intenta con su último artículo en Nature, que nos presenta un transistor sináptico de moiré que funciona a temperatura ambiente. La clave es la ferroelectricidad que su grupo publicó en Nature en 2020 (LCMF, 24 Nov 2020) en un estructura de moiré formada por grafeno bicapa (BLG) convencional (con estructura de Bernal, como en el grafito) y una capa de nitruro de boro hexagonal (hBN). Esta ferroelectricidad también se observa en una superred formada por hBN/BLG/hBN, que es la base del nuevo transistor neuromórfico; este adjetivo se debe a que su diseño imita las sinapsis químicas entre neuronas. Este dispositivo tiene muchas ventajas (potenciales) respecto a otros similares basados en memristores y en otras tecnologías; destacan su bajo consumo (20 picovatios) y su robustez, aunque su velocidad es baja (milisegundos). Obviamente, por ahora solo se dispone de prototipos y su posible futura fabricación masiva está aún muy lejos.

La superred hBN/BLG/hBN se encuentra entre dos contactos eléctricos que actúan como puertas. Se caracteriza porque la capa BLG está alineada con el hBN superior formando un potencial de moiré (porque las estructuras cristalinas del BLG y del hBN son compatibles), pero está rotada unos 30 grados respecto al hBN. Entre el hBN superior y la BLG aparece un potencial de moiré que es muy robusto incluso a temperatura ambiente y actúa como un almacén de portadores, que quedan localizados en sus pozos de moiré; esta parte del dispositivo es análoga a las vesículas sinápticas de las neuronas, que acumulan neurotransmisores para su liberación en la hendidura sináptica desde la neurona presináptica hacia la postsináptica. El hBN inferior actúa como un canal para la propagación libre de los portadores, tanto electrones como huecos; desde dicho canal llegan los portadores que rellenan los pozos del potencial de moiré y a dicho canal se inyectan los portadores que son liberados desde dichos pozos, tras la aplicación de un pulso de potencial eléctrico (en la escala de los milisegundos) entre ambas puertas. La diferencia de potencial entre ambas puertas, sea ΔV_TG, actúa como parámetro de control del dispositivo.

El diseño de este transistor sináptico de moiré es muy ingenioso ya que la superred hBN/BLG/hBN actúa como un trinquete. Recuerda que un trinquete es un engranaje formado por una rueda dentada con dientes asimétricos en forma de sierra y que incluye un gatillo. En función de la orientación del gatillo respecto a los dientes del engranaje el trinquete permite la rotación en un sentido y bloquea la rotación en el sentido contrario. Pero más allá de su robustez, lo más sorprendente es que funciona a temperatura ambiente (ya que las propiedades fascinantes de los dispositivos de moiré aparecen a temperaturas criogénicas). Por supuesto, hay mucha competencia entre los diferentes dispositivos neuromórficos, pues su nicho de mercado es vasto en el siglo de la inteligencia artificial, y no se puede prever cuál dominará el mercado. Pero si este nuevo dispositivo tiene un papel relevante podría ser el que llevara al ansiado galardón para Pablo. Crucemos los dedos. El artículo es Xiaodong Yan, …, Pablo Jarillo-Herrero, …, Mark C. Hersam, «Moiré synaptic transistor with room-temperature neuromorphic functionality,» Nature 624: 551-556 (20 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06791-1; más información divulgativa en Frank H. L. Koppens, James B. Aimone, Frances S. Chance, «2D materials ratchet up biorealism in computing. A transistor made from atomically thin materials mimics the way in which connections between neurons are strengthened by activity. Two perspectives reveal why physicists and neuroscientists share equal enthusiasm for this feat of engineering,» Nature 624: 534-536 (2023), doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03791-z.

^(∗) Por cierto, quizás te interese saber que el artículo fundacional de Pablo Jarillo-Herrero sobre la superconductividad en el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico (MABLG), que fue publicado en Nature en 2018, ha sido citado más de 6800 veces (en Google Scholar). Puedes comparar dicho número con las poco más de 5500 citas del artículo de Juan Ignacio Cirac y Peter Zoller de 1995 que les permitió obtener el Premio Wolf en 2013 y que les puso en la antesala del Premio Nobel de Física. Como es obvio, la gran diferencia entre estos números de citas es que el trabajo de Pablo es experimental y el de Juan Ignacio es teórico. Pero, a día de hoy, me parece que Pablo está más cerca de un Nobel (aunque lo que más gustaría es que ambos lo lograran, pues España se lo merece).

^(∗∗) En español se dice patrón de muaré, pero en este blog prefiero el galicismo moiré.

Esta figura muestra cómo el transistor sináptico de moiré puede actuar como un trinquete para electrones, cuando ΔV_TG > 0, o para huecos, cuando ΔV_TG < 0. Para 0 < |ΔV_TG| < 1.5 voltios, actúa como si el gatillo estuviera impidiendo el movimiento del trinquete, es decir, los portadores se acumulan en los pozos del potencial de moiré y no hay conducción. Pero cuando todos los pozos están rellenos, para 1.5 < |ΔV_TG| < 5, el gatillo se libera y el trinquete permite el paso de la corriente, con una densidad de portadores que crece linealmente con ΔV_TG. El bajo consumo de este dispositivo es debido a que con diferencias de potencial de varios voltios se actúa sobre corrientes de unos 20 nanoamperios, lo que permite que la potencia esté en el rango de los picovatios. Para que se liberen los portadores atrapados en los pozos de moiré se aplica un tren de pulsos de unos 10 milisegundos y una diferencia de potencial de unos |ΔV_TG| = 3 voltios. La conductividad del canal crece para electrones (ΔV_TG > 0) y decrece para huecos (ΔV_TG < 0) conforme aumenta el número de pulsos.

El control del transistor sináptico de moiré mediante trenes de pulsos eléctricos recuerda mucho a los trenes de pulsos de potencial de acción que se transmiten en los axones de las neuronas. Esta gran semejanza con el funcionamiento de las neuronas permite muchas aplicaciones de estos dispositivos. Como la emulación del aprendizaje hebbiano en el contexto de arquitecturas de redes de neuronas artificiales, tanto de tipo perceptrón, como de tipo tempotrón. Te recuerdo que los tempotrones son redes de neuronas artificiales que codifican la información mediante patrones de pulsos espaciotemporales y que permiten el aprendizaje supervisado. Los tempotrones se usan poco en inteligencia artificial, sobre todo por la ausencia de buenas implementaciones en hardware. El nuevo transistor sináptico de moiré del equipo de Jarillo-Herrero podría suponer toda una revolución en este contexto.

El aprendizaje hebbiano se implementa controlando la amplitud de los trenes de pulsos (en la figura entre 22 y 28 voltios). En el artículo se presenta un diseño teórico de lo que sería la arquitectura de un perceptrón, de un temporón y de una red de Hopfield (para aprendizaje asociativo), que se acompaña con simulaciones por ordenador basadas en modelos de circuitos de parámetros concentrados. Como es obvio, ilustrar el funcionamiento mediante una simulación no es lo mismo que usar una implementación hardware; pero, sobre el papel, no parece difícil lograr dicha implementación en un futuro cercano, así que supongo que será publicada este año o el próximo. Si estos dispositivos hardware con cientos de transistores sinápticos de moiré tuvieran un comportamiento cercano al mostrado por las simulaciones, creo que este tipo de redes tendrían mucho potencial en inteligencia artificial. Por ello, sinceramente, creo que este nuevo artículo publicado en Nature es un paso muy firme hacia el Premio Nobel de Física para Pablo Jarillo-Herrero.