Τα στιγμιότυπα εναλλαγής Ultrafast στα κβαντικά ηλεκτρονικά μπορούν να οδηγήσουν σε γρηγορότερες υπολογιστικές συσκευές

Οι επιστήμονες λαμβάνουν πρωτογενή στιγμιότυπα από υπερταχεία εναλλαγή σε μια κβαντική ηλεκτρονική συσκευή

Ανακαλύπτουν μια βραχύβια κατάσταση που θα μπορούσε να οδηγήσει σε γρηγορότερες, πιο ενεργειακά αποδοτικές υπολογιστικές συσκευές.

Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα που υπολογίζουν και αποθηκεύουν πληροφορίες περιέχουν εκατομμύρια μικροσκοπικούς διακόπτες που ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας αυτών των μικροσκοπικών διακοπτών θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να ωθήσουν τα όρια του σύγχρονου υπολογιστή.

Οι επιστήμονες έχουν τώρα κάνει τα πρώτα στιγμιότυπα των ατόμων που κινούνται μέσα σε έναν από αυτούς τους διακόπτες καθώς ενεργοποιείται και απενεργοποιείται. Μεταξύ άλλων, ανακάλυψαν μια βραχύβια κατάσταση μέσα στο διακόπτη που θα μπορούσε μια μέρα να αξιοποιηθεί για γρηγορότερες, πιο ενεργειακά αποδοτικές υπολογιστικές συσκευές.

Η ερευνητική ομάδα από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC του Τμήματος Ενέργειας, το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, τα Εργαστήρια Hewlett Packard, το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβανίας και το Πανεπιστήμιο Purdue περιγράφουν το έργο τους σε μια δημοσίευση Επιστήμη Σήμερα (15 Ιουλίου 2021).

“Αυτή η έρευνα είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην εξαιρετικά γρήγορη τεχνολογία και την επιστήμη”, λέει ο επιστήμονας και συνεργάτης της SLAC, Xijie Wang. «Είναι η πρώτη φορά που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν υπερφασική διάθλαση ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί να ανιχνεύσει ελάχιστες ατομικές κινήσεις σε ένα υλικό, διασκορπίζοντας μια ισχυρή δέσμη ηλεκτρονίων από ένα δείγμα, για να παρατηρήσει μια ηλεκτρονική συσκευή σε δράση».

Η ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρικούς παλμούς, που εμφανίζονται εδώ με μπλε χρώμα, για να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τους διακόπτες κατά παραγγελία πολλές φορές. Χρονολόγησαν αυτούς τους ηλεκτρικούς παλμούς για να φτάσουν πριν από τους παλμούς ηλεκτρονίων που παράγονται από την εξαιρετικά γρήγορη πηγή περίθλασης ηλεκτρονίων του SLAC MeV-UED, η οποία συνέλαβε τις ατομικές κινήσεις που συμβαίνουν μέσα σε αυτούς τους διακόπτες καθώς ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται. Πίστωση: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

σύλληψη συνεδρίας

Για αυτό το πείραμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν οι μικρο-ηλεκτρονικοί διακόπτες της ομάδας, κατασκευασμένοι από διοξείδιο του βαναδίου, ένα μοντέλο κβαντικού υλικού που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως κλειδί για μελλοντικούς υπολογιστές. Το υλικό έχει επίσης εφαρμογές σε υπολογιστές εμπνευσμένους από τον εγκέφαλο λόγω της ικανότητάς του να δημιουργεί ηλεκτρονικά ερεθίσματα που μιμούνται παλμούς νεύρων που πυροδοτούνται στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρικούς παλμούς για εναλλαγή αυτών των διακοπτών μεταξύ της μονωτικής κατάστασης και της αγώγιμης κατάστασης, λαμβάνοντας ταυτόχρονα στιγμιότυπα που δείχνουν μικρές αλλαγές στη διάταξη των ατόμων τους πάνω από το ένα δισεκατομμύριο του δευτερολέπτου. Αυτά τα στιγμιότυπα, που λαμβάνονται με την εξαιρετικά γρήγορη κάμερα περίθλασης ηλεκτρονίων του SLAC, MeV-UED, είναι ραμμένα μαζί για να δημιουργήσουν ένα μοριακό φιλμ ατομικών κινήσεων.

Ο επικεφαλής ερευνητής Aditya Sood συζητά για μια νέα έρευνα που θα μπορούσε να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των μικρών διακοπτών σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Πίστωση: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

“Αυτή η εξαιρετικά γρήγορη κάμερα μπορεί στην πραγματικότητα να κοιτάξει μέσα σε ένα υλικό και να πάρει γρήγορες εικόνες για το πώς κινούνται τα άτομα του σε απάντηση σε έναν απότομο παλμό ηλεκτρικής διέγερσης”, δήλωσε ο συνεργάτης Aaron Lindenberg, ερευνητής στο Ινστιτούτο Στάνφορντ για τις Επιστήμες Υλικών και Ενέργειας (SIMES) στο SLAC και καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. “Ταυτόχρονα, μετρά επίσης πώς οι ηλεκτρονικές ιδιότητες αυτού του υλικού αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου.”

Χρησιμοποιώντας αυτήν την κάμερα, η ομάδα ανακάλυψε μια νέα ενδιάμεση κατάσταση μέσα στο υλικό. Δημιουργείται όταν ένα υλικό αποκρίνεται σε έναν ηλεκτρικό παλμό αλλάζοντας από μια μονωτική κατάσταση σε μια αγώγιμη κατάσταση.

“Οι μονωτικές και αγώγιμες καταστάσεις έχουν ελαφρώς διαφορετικές ατομικές διευθετήσεις και συνήθως χρειάζεται ενέργεια για να περάσουν από το ένα στο άλλο”, δήλωσε ο επιστήμονας και συνεργάτης της SLAC Xiaozhe Shen. “Αλλά όταν η μετάβαση πραγματοποιείται μέσω αυτής της ενδιάμεσης κατάστασης, ο διακόπτης μπορεί να συμβεί χωρίς αλλαγές στην ατομική διάταξη.”

Άνοιγμα παραθύρου σε ατομική κίνηση

Αν και η ενδιάμεση κατάσταση υπάρχει για λίγα εκατοστά του δευτερολέπτου, σταθεροποιείται λόγω ατελειών στο υλικό.

Για να συνεχίσει αυτήν την έρευνα, η ομάδα εξετάζει πώς να κατασκευάσει αυτά τα ελαττώματα στα υλικά για να κάνει αυτή τη νέα κατάσταση πιο σταθερή και μεγαλύτερη διάρκεια. Αυτό θα τους επέτρεπε να κάνουν συσκευές στις οποίες η ηλεκτρονική μεταγωγή θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί χωρίς καμία ατομική κίνηση, οι οποίες θα λειτουργούσαν γρηγορότερα και θα απαιτούσαν λιγότερη ισχύ.

“Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την ανθεκτικότητα της ηλεκτρικής εναλλαγής σε εκατομμύρια κύκλους και καθορίζουν πιθανά όρια για την αλλαγή ταχύτητας για τέτοιες συσκευές”, δήλωσε ο συνεργάτης Shriram Ramanathan, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Purdue. “Η έρευνα παρέχει ανεκτίμητα δεδομένα σχετικά με μικροσκοπικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία της συσκευής, τα οποία είναι κρίσιμα για το σχεδιασμό μελλοντικών μοντέλων κυκλωμάτων.”

Η έρευνα προσφέρει επίσης μια νέα μέθοδο για τη σύνθεση υλικών που δεν βρίσκονται σε φυσικές συνθήκες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να τα παρακολουθούν σε εξαιρετικά γρήγορες κλίμακες και στη συνέχεια να βελτιώνουν τις ιδιότητές τους.

“Αυτή η μέθοδος μας δίνει έναν νέο τρόπο παρακολούθησης συσκευών σε δράση και ανοίγει ένα παράθυρο για να δούμε πώς κινούνται τα άτομα”, δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας και ερευνητής του SIMES, Aditya Sood. “Είναι συναρπαστικό να συνδυάζουμε ιδέες από παραδοσιακά προνομιούχους τομείς της ηλεκτρολογίας και της εξαιρετικά γρήγορης επιστήμης. Η προσέγγισή μας θα επιτρέψει τη δημιουργία ηλεκτρονικών συσκευών επόμενης γενιάς που θα μπορούν να καλύψουν τις αυξανόμενες ανάγκες του κόσμου για ευφυείς υπολογιστές υψηλής έντασης δεδομένων.”

Το MeV-UED είναι ένα εργαλείο για το LCLS User Facility, το οποίο διαχειρίζεται η SLAC για λογαριασμό του Γραφείου Επιστημών του Τμήματος Ενέργειας, το οποίο χρηματοδότησε αυτήν την έρευνα.

Το SLAC είναι ένα ζωντανό εργαστήριο πολλαπλών προγραμμάτων που διερευνά τον τρόπο λειτουργίας του σύμπαντος στις μεγαλύτερες, μικρότερες και ταχύτερες κλίμακες και δημιουργεί ισχυρά εργαλεία που χρησιμοποιούνται από επιστήμονες σε όλο τον κόσμο. Μέσα από έρευνα που περιλαμβάνει σωματιδιακή φυσική, αστροφυσική, κοσμολογία, υλικά, χημεία, βιοεπιστήμες, ενέργεια και επιστημονικούς υπολογιστές, βοηθάμε στην επίλυση πραγματικών προβλημάτων και προάγουμε τα συμφέροντα του έθνους.

Το SLAC λειτουργεί από το Γραφείο Επιστημών του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Το Γραφείο Επιστημών είναι ο μεγαλύτερος υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας.