智能手机和 Wi-Fi 没有线圈就无法产生无线电波——这一电子工程常识现在正在通过日本的基础研究被改写。让我们来解读理化学研究所的振荡电路通过单个分子的运动而激活的含义。
2026年5月8日，理化学研究所、名古屋大学和东北大学的联合研究小组宣布，他们在基于分子材料的忆阻器中实现了无需使用线圈即可振荡的电子电路。该研究由日本理化学研究所前沿研究所专职研究员大岛雄吾、名古屋大学工学研究生院竹野大志教授、东北大学理学研究生院高石真也副教授共同完成。
我们对具有一维链结构的分子莫特绝缘体 [Ni(chxn)2Br]Br2 进行了电传输测量和阻抗谱，并观察到了 10,000 至 100,000 亨利的电感。该值大约相当于典型线圈的 100,000 倍。我们证明了这种巨大的电感和负电阻的结合会在连接到电容器的电路中引起自激振荡。结果发表在《科学报告》的网络版上。
【编辑部评论】
很多人听到没有线圈的电振荡时可能会感到奇怪。我们之所以能够日常使用智能手机和Wi-Fi路由器，是因为内部振荡电路不断产生具有精确节奏的信号。线圈（电感器）长期以来一直被认为是这种振荡的重要组成部分。这项研究是这表明了用物质的力量改写“常识”的可能性。它正在引起人们的关注，因为
电感器是一种功能是阻止电流变化的元件，其性能用电感量（单位：亨利）来表示。一般电子电路中使用的线圈的电感范围从微亨到毫亨。这次观测到的 10,000 到 100,000 亨利的值对于毫米大小的样本来说是非同寻常的。相当于普通线圈的约10万倍这是研究小组论证的核心。
关键是，这个巨大的价值并不是由“线圈缠绕结构”产生的；而是由“绕线结构”产生的。它是从材料本身内部电子运动的动力学中看出的。顺便一提。这项研究的要点是，通过结合存储电流历史的“忆阻器”元件和导致电流随着电压增加而减少的“负电阻”的独特行为，建立了自振荡，其中电路只需连接一个电容器即可自行振荡。
事实上，海外研究小组已经报道了忆阻器的磁滞响应可以产生类电感行为的理论和实验报告。这一结果的与众不同之处在于，它基于分子莫特绝缘体，这种物质由于电子之间的强相互作用而成为绝缘体。事实上，我们定量地展示了一个数量级的值，并且还展示了它作为振荡电路的功能我就是这么看的。
那么，如果这成为现实，将会发生什么变化呢？最大的影响是电路小型化和集成化的自由度是。线圈是一种很难集成到半导体芯片中的典型组件，如果用它们取代芯片内部的材料，低频电路的设计理念可能会改变。此外，由于1个元件兼具电感器和负电阻的功能，因此减少所需部件数量的优点也不容忽视。
而你不能错过的是神经形态设备的前景是。大脑使用神经元发出的称为“尖峰”的电脉冲来处理信息。这次开发的振荡功能有可能用作产生此类尖峰信号的电路。随着人工智能计算量持续爆发式增长，世界各地正在研究能够以低功耗进行类脑并行处理的神经拟态电路，作为克服冯·诺依曼型计算机局限性的王牌，这一成果在此背景下意义重大。
另一方面，也有一些事情需要保持冷静。这一发现还处于基础科学阶段，在投入实际使用之前还存在工作温度、工作频率、再现性和大规模生产率等工程障碍。分子物质普遍对环境变化敏感，如何保证像硅半导体那样的稳定性将是未来研究的课题。重要的是要记住，论文标题中的“巨大”一词并不直接导致更换所有线圈。
本研究从长远角度来看“通过材料的特性而不是其结构来实现电子电路的功能”我们在这个方向上又向前迈进了一步。继半导体、显示器、电池之后，“功能材料”迅速成为产业竞争的轴心，日本的基础研究在该领域处于领先地位意义重大。关于法规和标准化的讨论还有很长的路要走，但如果创建一个新的设备类别，那么将来应该在 IEC 和 IEEE 等国际标准化论坛上开始讨论。也许有一天，未来的电子电路的性能竞争不再是线圈匝数，而是分子的选择。
【术语解释】
忆阻器
电阻随电流变化而变化的电子设备。该名称是“存储器”和“电阻器”这两个词的组合，因为它的行为就好像它“记住”过去施加的电压或电流状态。它是梁蔡 (Leung Chua) 于 1971 年从理论上预测出来的，并于 2008 年广为人知，当时惠普的一个研究小组报告说它实际上已经被创造出来。
电感器（线圈）和电感
电感器是一种产生与电流随时间变化成正比的电压的电路元件，其比例系数就是电感。单位是亨利（H）。 1 亨利指的是“电流以每秒 1 安培的速度变化会产生 1 伏电压”的状态。一般电子电路中使用的线圈的电感范围从微亨到毫亨。
莫特绝缘子
根据正常电子理论，这种材料应该是金属，但由于电子之间的库仑斥力，电子的运动受到抑制，材料变成了绝缘体。它由英国物理学家内维尔·莫特 (Neville Mott) 于 1949 年提出。它是强相关电子系统的典型例子，由于其能够响应外部刺激而经历绝缘体到金属的转变，因此正在作为下一代电子材料进行研究。
收缩磁滞回线
当交流电通过忆阻器时，在电流-电压特性图上出现的在原点相交的领结形环路。它被认为是判断其是否为忆阻器的典型指标。
负性抵抗
电流随电压增加而减少的现象，与正常电阻相反。这一特性长期以来一直被用作振荡和放大等电子电路的工作原理。
神经形态装置
一种旨在模仿大脑神经回路工作原理的电子设备。通过使用电子电路利用神经元尖峰（发射）信号再现信息处理，我们的目标是实现比传统冯诺依曼计算机功耗更低的并行信息处理。
阻抗谱
一种向样品施加交流电压并测量每个频率下的电响应的方法。由于它可以分离和评估电阻、电容和电感等电路特性，因此被广泛应用于材料科学和电化学领域。
冯诺依曼型计算机
一种经典的计算机体系结构，其中程序和数据存储在同一内存中，并由 CPU 顺序读取和处理。在人工智能处理中，内存和CPU之间的数据传输成为瓶颈，并且功耗增加被视为一个问题。它起源于20世纪中叶数学家约翰·冯·诺依曼的系统化。
[参考链接]
理化学研究所官方网站(外部)
代表日本的自然科学综合研究机构。我们在物理、化学、工程、生物学和医学等广泛领域开展基础和应用研究。
名古屋大学大学院工学研究科官方网站(外部)
这是进行此项研究的武野泰志教授所属的研究生院。我们在材料科学、机械工程和电气工程等广泛的工程领域进行研究和教育。
东北大学理学研究科官方网站(外部)
进行这项研究的高石慎也副教授所属的研究生院。负责化学、物理学、地球科学、生物学等基础科学的研究和教育工作。
科学报告（Nature Portfolio）官网(外部)
发表本研究论文的开放获取同行评审科学期刊。这是一本Nature相关期刊，涵盖自然科学、临床科学和工程学等广泛领域。
本研究的原始论文（科学报告页面）(外部)
Oshima 等人的原始论文“分子忆阻器中的巨大涌现电感”的 DOI 链接。
日本学术振兴会（JSPS）官方网站(外部)
一个独立的管理机构通过科学研究补助金 (KAKENHI) 支持这项研究。它为日本学术研究提供多方面的支持。
科学技术振兴机构(JST) 公式サイト(外部)
国家研究和开发机构通过战略创意研究促进项目 CREST 支持这项研究。它是日本负责创造创新的核心机构。
[参考文章]
Colossal emergent inductance in a molecular memristor(Scientific Reports原论文)(外部)
这是该研究的原创论文，展示了分子莫特绝缘体[Ni(chxn)2Br]Br2中10,000至100,000亨利的巨大电感和自振荡。
忆阻振荡器（高级物理研究，2024年）(外部)
大岛等人之前的研究。这篇论文首次报道了二硫醇镍配合物中无需线圈的自持振荡，并且是目前结果的谱系。
忆阻器中的磁滞产生传导电感和传导电容效应（PCCP，2024年）(外部)
这是之前的一项研究，从理论上和实验上分析了忆阻器磁滞响应产生电感和负电容的机制。
忆阻器中的莫特绝缘体综述（Nano Research，2023年）(外部)
这是一篇综述性论文，总结了莫特绝缘体忆阻器的研究趋势，并讨论了其在神经形态计算中的应用前景。
莫特材料：不成功的金属却有着光明的未来（npj Spintronics，2024年）(外部)
莫特绝缘体材料的物理性能及应用前景综述。讨论了超高速晶体管和人工神经元的可能性。
基于场致载流子雪崩倍增的莫特忆阻器（PRB，2023年）(外部)
本文提出了莫特绝缘体忆阻器的理论模型，并表明在具有并联电容器的电路中会出现持续尖峰振荡。
忆阻器——缺失的电路元件（IEEE Trans. Circuit Theory，1971年）(外部)
梁蔡在一篇历史论文中从理论上预测了忆阻器的存在。这是首次提出第四基本无源元件的概念。
失踪的忆阻器被发现（自然，2008年）(外部)
这篇论文标志着该研究领域的开始，其中惠普研究院的一个团队展示了使用二氧化钛薄膜器件的忆阻器。
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[编者后记]
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