Група дослідників розробила новий спосіб фіксації надшвидких атомних рухів усередині крихітних перемикачів, які контролюють потік струму в електронних схемах. На фото – Адітя Суд (зліва) та Аарон Лінденберг (справа). Кредит: Грег Стюарт / Національна лабораторія прискорювачів SLAC
Вчені роблять необроблені знімки надшвидкого перемикання в квантовому електронному пристрої
Вони виявляють короткочасний стан, який може призвести до швидших, більш енергоефективних обчислювальних пристроїв.
Електронні схеми, які обчислюють і зберігають інформацію, містять мільйони крихітних перемикачів, які контролюють потік електричного струму. Більш глибоке розуміння того, як працюють ці крихітні комутатори, може допомогти дослідникам розсунути межі сучасних обчислень.
Зараз вчені зробили перші знімки атомів, що рухаються всередині одного з цих перемикачів, коли він вмикається і вимикається. Серед іншого, вони виявили короткочасний стан всередині комутатора, який одного разу можна було б використовувати для швидших, енергоефективних обчислювальних пристроїв.
Дослідницька група з Національної лабораторії прискорювачів SLAC Департаменту енергетики Стенфордського університету, лабораторій Hewlett Packard, Пенсильванського державного університету та Університету Пердью описують свою роботу в статті, опублікованій в Наука Сьогодні (15 липня 2021 р.).
“Це дослідження є проривом у галузі надшвидких технологій та науки”, – говорить учений і співробітник SLAC Сіджі Ван. “Вперше дослідники застосовують надшвидку дифракцію електронів, яка може виявляти дрібні атомні рухи в матеріалі, розсіюючи сильний пучок електронів від зразка, для спостереження електронного пристрою в дії”.
Команда використовувала електричні імпульси, показані тут синім кольором, щоб кілька разів вмикати та вимикати вимикачі на вимогу. Вони приурочили ці електричні імпульси до надходження електронних імпульсів, що виробляються надшвидким джерелом дифракції електронів SLAC MeV-UED, який фіксував атомні рухи, що відбуваються всередині цих перемикачів, коли вони вмикаються та вимикаються. Кредит: Грег Стюарт / Національна лабораторія прискорювачів SLAC
захоплення сеансу
Для цього експерименту можуть бути використані спеціально розроблені командою мікроелектронні вимикачі, виготовлені з діоксиду ванадію, модельного квантового матеріалу, який може бути використаний як ключ для майбутніх обчислень. Матеріал також має застосування в обчислювальних процесах, натхненних мозком, завдяки своїй здатності створювати електронні імпульси, що імітують нервові імпульси, що випромінюються в мозку людини.
Дослідники використовували електричні імпульси для перемикання цих перемикачів вперед-назад між ізолюючим та провідним станом, роблячи знімки, що показують крихітні зміни в розташуванні їх атомів протягом мільярдної секунди. Ці знімки, зроблені за допомогою надшвидкої електронно-дифракційної камери SLAC, MeV-UED, були зшиті, щоб створити молекулярну плівку атомних рухів.
Провідний дослідник Адітя Суд обговорює нові дослідження, які можуть призвести до кращого розуміння того, як працюють малі вимикачі в електронних схемах. Кредит: Олів’є Бонін / Національна лабораторія прискорювачів SLAC
“Ця надшвидка камера фактично може заглянути всередину матеріалу і швидко зробити знімки того, як рухаються її атоми у відповідь на різкий імпульс електричного збудження”, – сказав співробітник Аарон Лінденберг, дослідник Стенфордського інституту матеріалів та енергетичних наук (SIMES) в SLAC. Він є професором кафедри матеріалознавства та техніки Стенфордського університету. “У той же час він також вимірює, як електронні властивості цього матеріалу змінюються з часом”.
Використовуючи цю камеру, команда виявила новий проміжний стан у матеріалі. Він створюється, коли матеріал реагує на електричний імпульс, переходячи з ізолюючого стану в провідний.
“Ізолюючі та провідні стани мають дещо різне атомне розташування, і, як правило, потрібна енергія, щоб переходити від одного до іншого”, – сказав учений і співробітник SLAC Сяочже Шень. “Але коли перехід відбувається через цей проміжний стан, перемикання може відбуватися без будь-яких змін в атомному розташуванні”.
Відкриття вікна про рух атомів
Хоча проміжний стан присутній протягом декількох мільйонних часток секунди, він стабілізується через недосконалість матеріалу.
Для продовження цього дослідження команда розглядає, як спроектувати ці дефекти матеріалів, щоб зробити цей новий стан більш стабільним і довговічним. Це дозволило б їм створювати пристрої, в яких електронне перемикання могло б відбуватися без будь-якого атомного руху, які працювали б швидше і вимагали менше енергії.
“Результати демонструють стійкість електричного перемикання протягом мільйонів циклів і визначають потенційні обмеження швидкості перемикання для таких пристроїв”, – сказав співробітник Шрірам Раманатан, професор Університету Пердью. “Дослідження надає безцінні дані про мікроскопічні явища, що виникають під час роботи пристрою, що є критично важливим для проектування майбутніх моделей схем”.
Дослідження також пропонує новий метод синтезу матеріалів, яких немає в природних умовах, що дозволяє вченим контролювати їх у надшвидкі терміни, а потім точно регулювати їх властивості.
“Цей метод дає нам новий спосіб спостерігати за пристроями в дії і відкриває вікно для перегляду руху атомів”, – сказала провідний автор і дослідник SIMES Адітя Суд. “Цікаво об’єднати ідеї з традиційно привілейованих областей електротехніки та надшвидкої науки. Наш підхід дозволить створити електронні пристрої наступного покоління, які зможуть задовольнити зростаючі у світі потреби в інтелектуальних обчислювальних даних, що вимагають великих обсягів даних”
MeV-UED – це інструмент для користувальницької служби LCLS, що управляється SLAC за дорученням Міністерства енергетики Управління науки, яке фінансувало це дослідження.
SLAC – це яскрава багатопрограмна лабораторія, яка досліджує, як працює Всесвіт у найбільших, найменших і найшвидших масштабах, і створює потужні інструменти, що використовуються вченими у всьому світі. Завдяки дослідженням, що включають фізику частинок, астрофізику, космологію, матеріали, хімію, біологічні науки, енергетику та наукові обчислення, ми допомагаємо вирішувати реальні проблеми та просувати інтереси нації.
SLAC управляється Управлінням науки Стенфордського університету Міністерства енергетики США. Офіс науки є найбільшим прихильником фундаментальних досліджень фізичних наук у Сполучених Штатах і працює над вирішенням деяких найактуальніших проблем сучасності.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
