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Las instantáneas de la conmutación ultrarrápida en la electrónica cuántica podrían conducir a dispositivos de computación más rápidos

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Captura de movimientos atómicos ultrarrápidos dentro de pequeños interruptores

Un equipo de investigadores creó un nuevo método para capturar movimientos atómicos ultrarrápidos dentro de los diminutos interruptores que controlan el flujo de corriente en los circuitos electrónicos. En la foto aparecen Aditya Sood (izquierda) y Aaron Lindenberg (derecha). Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Los científicos toman las primeras instantáneas de la conmutación ultrarrápida en un dispositivo electrónico cuántico

Descubren un estado de corta duración que podría conducir a dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

 Los circuitos electrónicos que calculan y almacenan información contienen millones de pequeños interruptores que controlan el flujo de corriente eléctrica. Una comprensión más profunda de cómo funcionan estos pequeños interruptores podría ayudar a los investigadores a ampliar las fronteras de la informática moderna.

Ahora los científicos han hecho las primeras instantáneas de los átomos que se mueven dentro de uno de esos interruptores cuando se enciende y apaga. Entre otras cosas, descubrieron un estado de corta duración dentro del conmutador que algún día podría ser aprovechado para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

El equipo de investigación del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, Hewlett Packard Labs, la Universidad de Penn State y la Universidad de Purdue describió su trabajo en un artículo publicado en Ciencia: hoy (15 de julio de 2021).

“Esta investigación es un gran avance en tecnología y ciencia ultrarrápidas”, dice el científico y colaborador de SLAC Xijie Wang. “Es la primera vez que los investigadores utilizan la difracción ultrarrápida de electrones, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material al dispersar un poderoso haz de electrones de una muestra, para observar un dispositivo electrónico mientras funciona”.

Dispositivo electrónico cuántico de conmutación ultrarrápida

El equipo usó pulsos eléctricos, que se muestran aquí en azul, para encender y apagar sus interruptores hechos a medida varias veces. Programaron estos pulsos eléctricos para que llegaran justo antes de los pulsos de electrones producidos por la fuente de difracción de electrones ultrarrápida MeV-UED de SLAC, que capturó los movimientos atómicos que ocurren dentro de estos interruptores cuando se encendían y apagaban. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Capturando el ciclo

Para este experimento, el equipo diseñó a medida interruptores electrónicos en miniatura hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico prototípico cuya capacidad para cambiar entre estados aislantes y conductores de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como un interruptor para la computación futura. El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear pulsos electrónicos que imitan los impulsos neuronales disparados en el cerebro humano.

Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre los estados aislante y conductor mientras tomaban instantáneas que mostraban cambios sutiles en la disposición de sus átomos en mil millonésimas de segundo. Esas instantáneas, tomadas con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se unieron para crear una película molecular de los movimientos atómicos.

El investigador principal Aditya Sood analiza una nueva investigación que podría conducir a una mejor comprensión de cómo funcionan los pequeños interruptores dentro de los circuitos electrónicos. Crédito: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

"Esta cámara ultrarrápida puede mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso agudo de excitación eléctrica", dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC. y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford. "Al mismo tiempo, también mide cómo cambian las propiedades electrónicas de ese material con el tiempo".

Con esta cámara, el equipo descubrió un nuevo estado intermedio dentro del material. Se crea cuando el material responde a un pulso eléctrico cambiando del estado aislante al conductor.

“Los estados aislantes y conductores tienen arreglos atómicos ligeramente diferentes, y generalmente se necesita energía para pasar de uno a otro”, dijo el científico y colaborador de SLAC Xiaozhe Shen. "Pero cuando la transición tiene lugar a través de este estado intermedio, el cambio puede tener lugar sin ningún cambio en la disposición atómica".

Abriendo una ventana sobre el movimiento atómico

Aunque el estado intermedio existe solo durante unas pocas millonésimas de segundo, se estabiliza mediante defectos en el material.

Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo está investigando cómo diseñar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y duradero. Esto les permitirá fabricar dispositivos en los que se pueda producir una conmutación electrónica sin ningún movimiento atómico, lo que funcionaría más rápido y requeriría menos energía.

“Los resultados demuestran la solidez de la conmutación eléctrica durante millones de ciclos e identifican posibles límites a las velocidades de conmutación de dichos dispositivos”, dijo el colaborador Shriram Ramanathan, profesor de Purdue. "La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es crucial para diseñar modelos de circuitos en el futuro".

La investigación también ofrece una nueva forma de sintetizar materiales que no existen en condiciones naturales, lo que permite a los científicos observarlos en escalas de tiempo ultrarrápidas y luego potencialmente ajustar sus propiedades.

“Este método nos brinda una nueva forma de ver los dispositivos mientras funcionan, abriendo una ventana para ver cómo se mueven los átomos”, dijo el autor principal e investigador de SIMES, Aditya Sood. “Es emocionante reunir ideas de los campos tradicionalmente distintos de la ingeniería eléctrica y la ciencia ultrarrápida. Nuestro enfoque permitirá la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación que puedan satisfacer las crecientes necesidades mundiales de computación inteligente con uso intensivo de datos ".

MeV-UED es un instrumento de la instalación para usuarios de LCLS, operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.

SLAC es un vibrante laboratorio de multiprogramas que explora cómo funciona el universo a las escalas más grandes, más pequeñas y más rápidas e inventa herramientas poderosas utilizadas por científicos de todo el mundo. Con investigaciones que abarcan la física de partículas, la astrofísica y la cosmología, los materiales, la química, las ciencias biológicas y energéticas y la computación científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la nación.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor promotor de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.

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