第一作者：R. Stanley Williams

通訊作者：Sreetosh Goswami

論文速覽：

本論文深入探討了分子材料在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用潛力及其面臨的挑戰(zhàn)。作者指出，隨著數(shù)據(jù)量的爆炸性增長(zhǎng)和人工智能的發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)已難以滿足當(dāng)前的需求。

分子材料因其獨(dú)特的電子、光學(xué)和磁性特性，為計(jì)算技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。文章特別強(qiáng)調(diào)了利用過(guò)渡金屬配合物和具有氧化還原活性配體的分子材料在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的應(yīng)用，并討論了為了確定分子材料是否能成為新型計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)所需的兩條互補(bǔ)研究路徑。

論文中提到的數(shù)據(jù)包括分子電子學(xué)的發(fā)展歷史、分子材料的計(jì)算性能以及未來(lái)的研究方向。

圖文導(dǎo)讀：

圖1 | 偶氮芳基電子海綿的不同電子占據(jù)狀態(tài)：展示了代表性的Ru配合物的電子接受能力。通過(guò)改變電壓，金屬配合物的電子海綿可以吸收或釋放電子，從而實(shí)現(xiàn)不同的電子占據(jù)狀態(tài)。

圖2 | 分子薄膜中的多路徑相互作用和機(jī)制：描述了金屬電極之間的分子薄膜包含不同帶電組分，它們之間的相互作用可以長(zhǎng)期保持，即使在電壓關(guān)閉后也能持續(xù)存在。這些動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步促進(jìn)了一系列分子內(nèi)和分子間的轉(zhuǎn)變，包括氧化還原、電荷重排和幾何改變。

圖3 | 為增強(qiáng)計(jì)算能力而定制的分子：展示了三種不同的RuII和FeII配合物及其穩(wěn)態(tài)特性的比較。通過(guò)改變配體和金屬中心，可以實(shí)現(xiàn)不同的導(dǎo)電平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)穩(wěn)健、非揮發(fā)性狀態(tài)的記憶功能。

圖4 | MIMO加速器：提出了一種利用分子材料的計(jì)算加速器，該加速器可以增強(qiáng)傳統(tǒng)神經(jīng)形態(tài)平臺(tái)的計(jì)算能力。通過(guò)多種輸入刺激，可以改變DPE的權(quán)重矩陣，并調(diào)整尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的尖峰和放大性質(zhì)。

圖 5 | 科學(xué)與技術(shù)路線圖。展示了基于偶氮芳基配合物的電子設(shè)備在多個(gè)主要性能參數(shù)上超越了大多數(shù)無(wú)機(jī)材料（如氧化物憶阻器、相變存儲(chǔ)器、磁阻和鐵電設(shè)備），并且在開(kāi)關(guān)速度和可擴(kuò)展性方面與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)。圖中還展示了實(shí)現(xiàn)這些分子設(shè)備作為技術(shù)所需的科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)。

總結(jié)展望：

論文總結(jié)了分子材料在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用前景，特別是在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的巨大潛力。作者強(qiáng)調(diào)了通過(guò)分子設(shè)計(jì)和合成化學(xué)的進(jìn)步，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算性能的精細(xì)調(diào)控。

同時(shí)，論文也指出了實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，包括對(duì)分子開(kāi)關(guān)電子和離子機(jī)制的深入理解、材料的加工性和與現(xiàn)有CMOS技術(shù)的兼容性等。未來(lái)，分子電子技術(shù)有望在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、高效的邊緣計(jì)算，推動(dòng)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。

文獻(xiàn)信息：

標(biāo)題：Potential and challenges of computing with molecular materials

?期刊：Nature Materials