人体的许多功能都是同步运作的，比如走路时手臂和腿的协调，或者大脑的不同脑叶如何协同工作来处理信息。同步性也存在于工程系统中，如时钟和无线电电路中使用的谐波振荡器。然而，尽管脉冲振荡器在先进材料和神经形态或类脑计算中有潜在的应用前景，但它们的同步性尚未得到广泛的研究。
近日，加州大学圣地亚哥分校的科学家们发现，当二氧化钒制成的纳米振荡器出现峰值时，它们会表现出一种独特的同步性。他们的研究结果发表在《The Proceedings of the National Academy of Sciences》上。
这项工作是由五年级研究生Erbin “Ben” Qiu领导的。虽然Qiu在加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的电气与计算机工程系，但他是在物理学特聘教授Ivan K. Schuller的实验室里进行这项工作的。Qiu说，他很高兴有机会探索一个跨学科研究的新领域，利用工程和物理学的专业知识。
这项研究计划使用了加州大学圣地亚哥分校的几个设备，包括一个溅射系统和舒勒实验室的x射线机，来制造薄膜并分析它们的晶体结构。利用无掩模激光光刻机和Nano3刻蚀机制备了尖峰型纳米振荡器。最后，利用先进的输运测量设备研究了这些纳米振荡器的独特行为，这些纳米振荡器是热耦合的，但电去耦的。
在谐波振子中，如果你增加耦合强度，两个振子之间的同步性将变得更强，或者更稳健。对于尖峰纳米振荡器，预期会有类似的结果;然而，实验表明，通过增加电压而增强的耦合强度会导致同步模式的中断，从而导致随机状态或“状态”。
根据定义，随机状态是基于随机概率的，不可能精确预测。然而，对于这些尖峰纳米振荡器，尽管随机同步模式不可预测地交替，但总是有一个同步模式。
“我们的系统总是同步的，”Qiu说。“它从最初的固定同步模式转变为随机模式，但即使这样，它仍然是同步的。然后它会回到另一个固定的同步模式。”
这种意想不到的结果可能在网络安全应用中被证明是有用的，特别是在实现真正的随机数生成器时。事实上，这些尖峰纳米振荡器已经在美国国家标准与技术研究院(NIST)的统计测试套件中通过了多次测试，以证明它们在这一领域的可行性。
除了网络安全，这项研究对人工智能和神经形态计算也有重要意义，因为它表明基于量子材料的尖峰振荡器可以模仿神经元的行为方式。
这项工作由美国空军科学研究办公室(FA9550-22-10135)和美国能源部科学和基础能源科学办公室(DE-SC0019273)通过节能神经形态计算量子材料(Q-MEEN-C)资助。
