’n Span navorsers het ’n nuwe metode geskep om ultravinnige atoombewegings binne die klein skakelaars vas te vang wat die stroomvloei in elektroniese stroombane beheer. Op die foto is Aditya Sood (links) en Aaron Lindenberg (regs). Krediet: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Wetenskaplikes neem eerste foto's van ultravinnige skakeling in 'n kwantum elektroniese toestel
Hulle ontdek 'n kortstondige toestand wat tot vinniger en meer energiedoeltreffende rekenaartoestelle kan lei.
Elektroniese stroombane wat inligting bereken en stoor, bevat miljoene klein skakelaars wat die vloei van elektriese stroom beheer. 'n Dieper begrip van hoe hierdie klein skakelaars werk, kan navorsers help om die grense van moderne rekenaars te verskuif.
Nou het wetenskaplikes die eerste foto's gemaak van atome wat binne een van daardie skakelaars beweeg soos dit aan- en afskakel. Hulle het onder meer 'n kortstondige toestand binne die skakelaar ontdek wat dalk eendag vir vinniger en meer energiedoeltreffende rekenaartoestelle uitgebuit kan word.
Die navorsingspan van die Departement van Energie se SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Hewlett Packard Labs, Penn State University en Purdue University het hul werk beskryf in 'n referaat wat gepubliseer is in Wetenskap vandag (15 Julie 2021).
"Hierdie navorsing is 'n deurbraak in ultravinnige tegnologie en wetenskap," sê SLAC-wetenskaplike en medewerker Xijie Wang. "Dit is die eerste keer dat navorsers ultravinnige elektrondiffraksie gebruik het, wat klein atoombewegings in 'n materiaal kan opspoor deur 'n kragtige straal elektrone van 'n monster af te strooi, om 'n elektroniese toestel waar te neem terwyl dit werk."
Die span het elektriese pulse, wat hier in blou gewys word, gebruik om hul pasgemaakte skakelaars verskeie kere aan en af te skakel. Hulle het hierdie elektriese pulse gereël om te arriveer net voor die elektronpulse wat deur SLAC se ultravinnige elektrondiffraksiebron MeV-UED geproduseer word, wat die atoombewegings wat binne hierdie skakelaars gebeur, vasgevang het terwyl hulle aan- en afgeskakel het. Krediet: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Vang die siklus vas
Vir hierdie eksperiment het die span spesiaal ontwerpte miniatuur elektroniese skakelaars gemaak van vanadiumdioksied, 'n prototipiese kwantummateriaal wie se vermoë om heen en weer tussen isolerende en elektries geleidende toestande naby kamertemperatuur te verander, aangewend kan word as 'n skakelaar vir toekomstige rekenaars. Die materiaal het ook toepassings in breingeïnspireerde rekenaars as gevolg van sy vermoë om elektroniese pulse te skep wat die neurale impulse naboots wat in die menslike brein afgevuur word.
Die navorsers het elektriese pulse gebruik om hierdie skakelaars heen en weer tussen die isolerende en geleidende toestande te wissel terwyl hulle foto's geneem het wat subtiele veranderinge in die rangskikking van hul atome oor miljardstes van 'n sekonde getoon het. Daardie foto's, geneem met SLAC se ultravinnige elektrondiffraksiekamera, MeV-UED, is saamgespan om 'n molekulêre film van die atoombewegings te skep.
Hoofnavorser Aditya Sood bespreek nuwe navorsing wat kan lei tot 'n beter begrip van hoe die klein skakelaars binne elektroniese stroombane werk. Krediet: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
"Hierdie ultravinnige kamera kan eintlik in 'n materiaal kyk en foto's neem van hoe sy atome beweeg in reaksie op 'n skerp pols van elektriese opwekking," sê medewerker Aaron Lindenberg, 'n ondersoeker by die Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) by SLAC en 'n professor in die Departement Materiaalwetenskap en Ingenieurswese aan die Stanford Universiteit. "Terselfdertyd meet dit ook hoe die elektroniese eienskappe van daardie materiaal oor tyd verander."
Met hierdie kamera het die span 'n nuwe, intermediêre toestand binne die materiaal ontdek. Dit word geskep wanneer die materiaal op 'n elektriese puls reageer deur van die isolerende na die geleidende toestand oor te skakel.
"Die isolerende en geleidende toestande het effens verskillende atoomrangskikkings, en dit neem gewoonlik energie om van die een na die ander te gaan," het Xiaozhe Shen, wetenskaplike en medewerker van SLAC, gesê. "Maar wanneer die oorgang deur hierdie intermediêre toestand plaasvind, kan die oorskakeling plaasvind sonder enige veranderinge aan die atoomrangskikking."
Maak 'n venster oop oor atoombeweging
Alhoewel die tussentoestand slegs 'n paar miljoenste van 'n sekonde bestaan, word dit gestabiliseer deur defekte in die materiaal.
Om hierdie navorsing op te volg, ondersoek die span hoe om hierdie defekte in materiale te ontwerp om hierdie nuwe toestand meer stabiel en langer te maak. Dit sal hulle toelaat om toestelle te maak waarin elektroniese skakeling kan plaasvind sonder enige atoombeweging, wat vinniger sal werk en minder energie benodig.
"Die resultate demonstreer die robuustheid van die elektriese skakeling oor miljoene siklusse en identifiseer moontlike beperkings op die skakelspoed van sulke toestelle," het medewerker Shriram Ramanathan, 'n professor by Purdue, gesê. "Die navorsing verskaf waardevolle data oor mikroskopiese verskynsels wat tydens toestelbedrywighede voorkom, wat noodsaaklik is vir die ontwerp van stroombaanmodelle in die toekoms."
Die navorsing bied ook 'n nuwe manier om materiale te sintetiseer wat nie onder natuurlike toestande bestaan nie, wat wetenskaplikes in staat stel om dit op ultravinnige tydskale waar te neem en dan moontlik hul eienskappe te verstel.
"Hierdie metode gee ons 'n nuwe manier om toestelle te kyk terwyl hulle funksioneer, wat 'n venster oopmaak om te kyk hoe die atome beweeg," het hoofskrywer en SIMES-navorser Aditya Sood gesê. “Dit is opwindend om idees uit die tradisioneel onderskeie velde van elektriese ingenieurswese en ultravinnige wetenskap bymekaar te bring. Ons benadering sal die skepping van die volgende generasie elektroniese toestelle moontlik maak wat kan voldoen aan die wêreld se groeiende behoeftes vir data-intensiewe, intelligente rekenaar.”
MeV-UED is 'n instrument van die LCLS-gebruikersfasiliteit, wat deur SLAC bedryf word namens die DOE Kantoor van Wetenskap, wat hierdie navorsing befonds het.
SLAC is 'n lewendige multiprogramlaboratorium wat ondersoek hoe die heelal op die grootste, kleinste en vinnigste skaal werk en vind kragtige instrumente uit wat deur wetenskaplikes regoor die wêreld gebruik word. Met navorsing oor deeltjiefisika, astrofisika en kosmologie, materiaal, chemie, bio- en energiewetenskappe en wetenskaplike rekenaarkunde, help ons om werklike probleme op te los en bevorder die belange van die land.
SLAC word deur Stanford Universiteit vir die Amerikaanse Departement van Energie se Kantoor van Wetenskap bedryf. Die Kantoor van Wetenskap is die enkele grootste ondersteuner van basiese navorsing in die fisiese wetenskappe in die Verenigde State en werk daaraan om sommige van die dringendste uitdagings van ons tyd aan te spreek.
