Egy kutatócsoport új módszert hozott létre az ultragyors atomi mozgások rögzítésére az apró kapcsolókon belül, amelyek szabályozzák az áram áramlását az elektronikus áramkörökben. A képen Aditya Sood (balra) és Aaron Lindenberg (jobbra) látható. Köszönetnyilvánítás: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
A tudósok első pillanatfelvételeket készítenek az ultragyors váltásról kvantumelektronikus eszközben
Felfedeznek egy rövid életű állapotot, amely gyorsabb és energiahatékonyabb számítástechnikai eszközökhöz vezethet.
Az információkat számító és tároló elektronikus áramkörök milliónyi apró kapcsolót tartalmaznak, amelyek szabályozzák az elektromos áram áramlását. Az apró kapcsolók működésének mélyebb megértése segítheti a kutatókat a modern számítástechnika határainak kitűzésében.
Most a tudósok elkészítették az első pillanatfelvételeket az atomok mozgásáról az egyik ilyen kapcsolóban, miközben az be- és kikapcsol. Többek között egy rövid életű állapotot fedeztek fel a kapcsolón belül, amelyet egy napon gyorsabb és energiahatékonyabb számítástechnikai eszközök létrehozására is ki lehet használni.
Az Energiaügyi Minisztérium SLAC National Accelerator Laboratóriumának kutatócsoportja, a Stanford Egyetem, a Hewlett Packard Labs, a Penn State Egyetem és a Purdue Egyetem egy XNUMX-ben megjelent cikkében ismertette munkájukat. Tudomány ma (15. július 2021-én).
„Ez a kutatás áttörést jelent az ultragyors technológia és tudomány terén” – mondja Xijie Wang, a SLAC tudósa és munkatársa. "Ez az első alkalom, hogy a kutatók ultragyors elektrondiffrakciót alkalmaztak, amely képes észlelni egy anyag apró atomi mozgásait azáltal, hogy erőteljes elektronsugarat szór le a mintáról, hogy megfigyeljék egy elektronikus eszköz működését."
A csapat elektromos impulzusokat használt, amelyek itt kék színnel láthatók, hogy többször be- és kikapcsolják az egyedileg készített kapcsolóikat. Úgy időzítették ezeket az elektromos impulzusokat, hogy közvetlenül a SLAC ultragyors elektrondiffrakciós forrása, a MeV-UED elektronimpulzusok előtt érkezzenek meg, amelyek rögzítik a kapcsolókban végbemenő atomi mozgásokat, amikor be- és kikapcsolják őket. Köszönetnyilvánítás: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
A ciklus rögzítése
Ehhez a kísérlethez a csapat egyedi tervezésű miniatűr elektronikus kapcsolókat készített vanádium-dioxidból, egy prototipikus kvantumanyagból, amelynek képessége, hogy oda-vissza váltson a szobahőmérséklethez közeli szigetelő és elektromosan vezető állapotok között, kapcsolóként hasznosítható a jövőbeni számítástechnika számára. Az anyag az agy által inspirált számítástechnikában is alkalmazható, mivel képes olyan elektronikus impulzusokat létrehozni, amelyek utánozzák az emberi agyban kibocsátott idegi impulzusokat.
A kutatók elektromos impulzusok segítségével váltogatták ezeket a kapcsolókat a szigetelő és a vezető állapot között, miközben olyan pillanatfelvételeket készítettek, amelyek finom változásokat mutattak az atomok elrendezésében a másodperc milliárdod része alatt. Ezeket a pillanatfelvételeket, amelyeket a SLAC ultragyors elektrondiffrakciós kamerájával, a MeV-UED-vel készítettek, összefűzték, hogy molekuláris filmet hozzanak létre az atomi mozgásokról.
Aditya Sood vezető kutató új kutatásokat tárgyal, amelyek az elektronikus áramkörökben lévő apró kapcsolók működésének jobb megértéséhez vezethetnek. Köszönetnyilvánítás: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory
"Ez az ultragyors kamera valóban be tud nézni egy anyag belsejébe, és pillanatfelvételeket készít arról, hogyan mozognak az atomjai egy éles elektromos gerjesztési impulzus hatására" - mondta Aaron Lindenberg, a SLAC Stanford Anyag- és Energiatudományi Intézetének (SIMES) kutatója. és a Stanford Egyetem Anyagtudományi és Mérnöki Tanszékének professzora. "Ugyanakkor azt is méri, hogy az anyag elektronikus tulajdonságai hogyan változnak az idő múlásával."
Ezzel a kamerával a csapat egy új, köztes állapotot fedezett fel az anyagon belül. Akkor jön létre, amikor az anyag elektromos impulzusra reagál, és a szigetelő állapotból a vezető állapotba vált.
"A szigetelő és vezető állapotok atomi elrendezése kissé eltérő, és általában energiára van szükség ahhoz, hogy egyikből a másikba kerüljön" - mondta Xiaozhe Shen, az SLAC tudósa és munkatársa. "De amikor az átmenet ezen a köztes állapoton keresztül megy végbe, a váltás megtörténhet anélkül, hogy az atomi elrendezés megváltozna."
Ablak megnyitása az atommozgásról
Bár a köztes állapot csak néhány milliomod másodpercig létezik, az anyaghibák stabilizálják.
A kutatás nyomon követése érdekében a csapat azt vizsgálja, hogyan lehet ezeket az anyaghibákat kialakítani, hogy ez az új állapot stabilabbá és hosszabb ideig tartson. Ez lehetővé teszi számukra, hogy olyan eszközöket készítsenek, amelyekben az elektronikus kapcsolás atommozgás nélkül is megtörténhet, amelyek gyorsabban működnének és kevesebb energiát igényelnének.
"Az eredmények demonstrálják az elektromos kapcsolás robusztusságát több millió cikluson keresztül, és azonosítják az ilyen eszközök kapcsolási sebességének lehetséges határait" - mondta Shriram Ramanathan, a Purdue professzora. "A kutatás felbecsülhetetlen értékű adatokat szolgáltat az eszközök működése során fellépő mikroszkopikus jelenségekről, ami kulcsfontosságú a jövőbeni áramköri modellek tervezése szempontjából."
A kutatás új módszert kínál a természetes körülmények között nem létező anyagok szintetizálására is, lehetővé téve a tudósok számára, hogy ultragyors időskálán megfigyeljék őket, majd potenciálisan hangolják tulajdonságaikat.
"Ez a módszer új módot ad számunkra, hogy figyeljük az eszközök működését, ablakot nyitva, hogy megnézzük, hogyan mozognak az atomok" - mondta a vezető szerző és a SIMES kutatója, Aditya Sood. „Izgalmas az elektrotechnika és az ultragyors tudomány hagyományosan elkülönülő területeiről származó ötleteket egyesíteni. Megközelítésünk lehetővé teszi olyan új generációs elektronikus eszközök létrehozását, amelyek megfelelnek a világ növekvő adatigényes, intelligens számítástechnikai igényeinek.”
A MeV-UED az LCLS felhasználói eszköz eszköze, amelyet a SLAC üzemeltet a DOE Tudományos Hivatala nevében, aki finanszírozta ezt a kutatást.
Az SLAC egy vibráló, több programból álló laboratórium, amely a világ legnagyobb, legkisebb és leggyorsabb skáláján dolgozik az univerzum működésében, és feltalálja a tudósok által szerte a világon használt hatékony eszközöket. A részecskefizikára, asztrofizikára és kozmológiára, anyagokra, kémiára, bio- és energetikai tudományokra, valamint a tudományos számítástechnikára kiterjedő kutatásokkal segítünk megoldani a valós problémákat és előmozdítani a nemzet érdekeit.
Az SLAC-t a Stanford Egyetem üzemelteti az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának Tudományos Hivatala számára. Az Office of Science a fizikai tudományok alapkutatásának egyetlen legnagyobb támogatója az Egyesült Államokban, és korunk legsürgetőbb kihívásainak megoldásán dolgozik.
