Neuromorphic properties of Mott materials under an electric field
Propriétés neuromorphiques des materiaux de Mott sous un champ électrique
Résumé
Mott insulators under an applied electric field present an insulator-to-metal transition that enables them to reproduce the spiking functionality of biological neuron. These materials also have the potential of achieving greater miniaturization than conventional CMOS devices and thus could be used to create energy efficient hardware neural networks. However, the understanding of the IMT, which is a complex physical phenomenon that stems from the interaction of many correlated electrons under strong electric fields, poses important challenges to the characterization of these materials. In this work we adopt a mesoscopic phenomenological model known as the Mott Resistor Network. In so doing we are able to elucidate the nature of the field driven IMT, to which both thermal and electronic effects contribute, in the form of Joule heating and current density concentration, respectively. We characterize the resistive collapse as a stochastic process, and more exactly a Poissonian event, in analogy with the firing of noisy neurons described by the exponential escape rate model. We show how the stochastic nature of the resistive collapse, which is observed in the increased variability of the incubation times as the applied voltage is lowered, can be tuned by controlling the thermal conductivity of the sample and also the ratio of the insulating to metallic resistivity. We then study the oscillatory regime that appears at high applied voltage, as well as the dynamics of coupled VO2 oscillators, focusing on the disruptions of the regular spiking sequence that emerge as the coupling capacitance is strengthened. We compare our results with experiments conducted on vanadates and nickleates, finding an excellent agreement.
Les isolants de Mott sous un champ électrique externe présentent une transition isolant-métal (IMT) qui leur permet de reproduire le train de <> des neurones biologiques. Ces matériaux ont aussi la possibilité d'achever un niveau de miniaturisation supérieur à celui des dispositives CMOS, et donc ils pourraient être utilisé pour réaliser des réseaux des neurones numérique plus efficients. Néanmoins, la IMT est un phénomène physique complexe qui dérive de l'interaction entre beaucoup d'électrons sous un fort champ électrique et il pose des difficultés importantes concernant la description théorique de ces matériaux. Dans cette thèse nous adoptons un modèle mésoscopique et phénoménologique qui s'appelle Réseau des Résistors de Mott (MRN). Grâce à ce model nous sommes capable d'expliquer la nature de la IMT sous un champ électrique, qui est le produit des effets et thermique et électronique, et plus précisément l'effet Joule et la concentration de courent électronique dans les domaines métalliques du matériel. Nous identifions le collapse de la résistance du matériel comme un process stochastique, et plus précisément un évènement de Poisson, en analogie avec les <> des modelés mathématiques des neurones avec une probabilité de type exponentielle. Nous démontrons aussi que la nature stochastique de la chute de la résistance, qui est observé dans la variabilité de délais entre l'application du champ électrique et le collapse de la résistance, peut être changée par la conductivité thermique du matériel et aussi le rapport entre la résistivité isolant et la résistivité métallique. En outre, nous étudions les oscillations qui émergent sous hauts champs électriques, et aussi la dynamique des matériaux VO2 couplés, en particulier les interruptions de la séquence régulier de spikes produits par une haute capacité électrique de couplage. Nous comparons nos résultats avec des expérimentes conduites sur les vanadates et les nickélates, en trouvant un très bon accord.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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