_ Oamenii de știință strălucesc lumină nouă asupra viitorului dispozitivelor nanoelectronice

Inteligenta artificială (IA) are potențialul de a transforma tehnologii la fel de diverse precum panourile solare, senzorii medicali în interiorul corpului și vehiculele cu conducere autonomă. Dar aceste aplicații împing deja computerele de astăzi la limitele lor când vine vorba de viteză, dimensiunea memoriei și consumul de energie.

Din fericire, oamenii de știință din domeniile AI, calculului și nanoștiinței lucrează pentru a depăși aceste provocări și își folosesc creierul ca modele.

Aceasta se datorează faptului că circuitele sau neuronii din creierul uman au un avantaj cheie față de circuitele computerizate de astăzi: pot stoca informații și o pot procesa în același loc. Acest lucru le face excepțional de rapide și eficiente din punct de vedere energetic. De aceea, oamenii de știință explorează acum cum să folosească materiale măsurate în miliarde de metru – „nanomateriale” – pentru a construi circuite care funcționează ca neuronii noștri. Pentru a face acest lucru cu succes, totuși, oamenii de știință trebuie să înțeleagă exact ce se întâmplă în aceste circuite de nanomateriale la nivel atomic.

Recent, o echipă de cercetători, inclusiv oameni de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) a fost pionierul unui mod nou de a evalua exact asta. Mai exact, au folosit Advanced Photon Source (APS), o facilitate de utilizator DOE Office of Science, pentru a examina modificările care apar în structura unui anumit nanomaterial pe măsură ce acesta trece de la conducerea unui curent electric la nu. Aceasta imită comutarea între stările „pornit” și „oprit” într-un circuit neuronal.

Lucrarea este publicată în jurnalul Advanced Materials.

În aceste materiale, starea de conducere, sau fază, este controlată de imperfecțiunile materialului (sau „defecte punctuale”) la nivel atomic. Punând o presiune asupra nanomaterialului, cercetătorii pot modifica concentrația și pot schimba poziția acestor defecte. Aceasta modifică calea fluxului de electroni. Cu toate acestea, aceste defecte sunt în mișcare constantă, ceea ce modifică regiunile conductoare și neconductoare ale materialului. Până acum, această mișcare a fost extrem de dificil de studiat.

„Au fost multe cercetări despre apariția și natura defectelor nanomaterialelor”, a explicat Dillon Fong, un om de știință în materiale la Argonne. „Dar știam foarte puține despre dinamica acestor defecte atunci când un material își schimbă faza. Am vrut să arătăm că puteți utiliza razele X pentru a examina tranzițiile între fazele conductoare și neconductoare în nanomateriale în condiții similare cu cele în care aceste materiale. va fi folosit." Echipa a demonstrat cum APS poate contribui la realizarea acestui lucru.

Pentru experiment, cercetătorii au ales un material, SrCoOx, care comută cu ușurință între fazele conducătoare și neconductoare, izolatoare. Pentru a vedea fluctuația dintre faza conducătoare și faza izolatoare la scară nanometrică, au folosit o tehnică numită spectroscopie de corelație fotonică cu raze X (XPCS). Acest lucru este activat de fasciculele de raze X extrem de coerente de la APS. XPCS poate măsura direct cât de repede fluctuează materialul între diferite faze la scară atomică, chiar și atunci când aceste fluctuații sunt abia detectabile.

„Măsurarea XPCS nu ar fi posibilă fără fasciculul coerent de raze X de la APS. ”, a spus Qingteng Zhang, un fizician asistent la APS care a condus măsurătorile cu raze X.

„În plus, este important să luăm măsurarea în aceleași condiții în care va funcționa materialul. Acest lucru ne permite să învățăm cum se va comporta materialul în timp ce își îndeplinește funcția prevăzută.Totuși, un astfel de control al mediului necesită de obicei sigilarea probei într-o cameră sau într-o cupolă. Aici fasciculul de raze X foarte penetrant de la APS este extrem de util. Pentru că, în timp ce fereastra camerei sau carcasa domului sunt opace la lumina vizibilă, putem face oricare dintre ele complet transparente pentru razele X.”

Actualizarea APS – în curs de desfășurare – va crește luminozitatea razelor X APS de până la 500 de ori la finalizarea sa în 2024. Acest lucru va crește semnificativ viteza de măsurare, precum și calitatea coerentei. Tehnici cu raze X, inclusiv XPCS. Acest lucru ar putea crea oportunități științifice fără precedent pentru cercetătorii din întreaga lume.

Aceasta este o perspectivă interesantă pentru Panchapakesan Ganesh, cercetător la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) al DOE. El a condus lucrările teoretice ale studiului împreună cu membrii echipei sale Vitalii Starchenko, ORNL și Guoxiang Hu, acum profesor asistent la Georgia Tech.

„Datele de înaltă calitate din experimente ca acestea sunt esențiale pentru noi. capacitatea de a dezvolta teorii și de a construi modele care pot surprinde ceea ce se întâmplă în materialele nanoelectronice atunci când trec de la fazele conductoare la cele neconductoare”, a spus Ganesh. „De exemplu, trebuie să învățăm cum se disipează energia în aceste sisteme dacă vom dezvolta nanodispozitive care se apropie de eficiența energetică a creierului nostru.

„Nici o singură abordare computațională nu poate rezolva acest tip de problemă. proprii. Avem nevoie de cele mai bune contribuții atât din partea experimentală, cât și din partea științei computaționale pentru a avansa această înțelegere la scară nanometrică. Abordarea noastră integrată este un exemplu perfect în acest sens și credem că va stimula mai multe cercetări în acest nou domeniu interesant.”

Pe lângă Fong și Zhang, alți autori Argonne includ E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan și H. Liu.

(Fluierul)