juli 30, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Øyeblikksbilder av ultrahurtig bytte i kvanteelektronikk kan føre til raskere databehandlingsenheter

Øyeblikksbilder av ultrahurtig bytte i kvanteelektronikk kan føre til raskere databehandlingsenheter

Et team av forskere opprettet en ny metode for å fange opp ultrahurtige atombevegelser i de små bryterne som styrer strømmen av strøm i elektroniske kretser. På bildet er Aditya Sood (til venstre) og Aaron Lindenberg (til høyre). Kreditt: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Forskere tar de første øyeblikksbildene av ultrahurtig bytte i et kvanteelektronisk apparat

De oppdager en kortvarig tilstand som kan føre til raskere og mer energieffektive databehandlingsenheter.

Elektroniske kretser som beregner og lagrer informasjon inneholder millioner av små brytere som styrer strømmen av elektrisk strøm. En dypere forståelse av hvordan disse små bryterne fungerer, kan hjelpe forskere til å skyve grensene for moderne databehandling.

Nå har forskere laget de første øyeblikksbildene av atomer som beveger seg inne i en av bryterne når den slås på og av. Blant annet oppdaget de en kortvarig tilstand i bryteren som en dag kunne utnyttes for raskere, mer energieffektive databehandlingsenheter.

Forskergruppen fra Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Hewlett Packard Labs, Penn State University og Purdue University beskrev arbeidet sitt i en artikkel publisert i Vitenskap i dag (15. juli 2021).

“Denne undersøkelsen er et gjennombrudd innen ultrahurtig vitenskap og teknologi,” sier forsker og SLAC-samarbeidspartner Xijie Wang. En kraftig elektronstråle fra et utvalg for å observere en elektronisk enhet mens den fungerer.

Ultra-rask bytte av kvanteelektronisk enhet

Teamet brukte elektriske pulser, vist her i blått, for å slå spesialtilpassede brytere av og på flere ganger. De programmerte disse elektriske pulser til å ankomme like før elektronpulsene produsert av SLACs MeV-UED ultrasnelle elektrondiffraksjonskilde, som fanget atombevegelsene som forekommer i disse bryterne når de ble slått på og av. Kreditt: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Fange syklusen

For dette eksperimentet laget teamet spesialdesignede elektroniske miniatyrbrytere laget av vanadiumdioksid, et prototypisk kvantemateriale hvis evne til å veksle mellom isolerende og elektrisk ledende tilstander nær romtemperatur kunne utnyttes som en bryter for fremtidig databehandling. Materialet har også applikasjoner i hjerneinspirert databehandling på grunn av dets evne til å lage elektroniske pulser som etterligner nevrale impulser avfyrt i den menneskelige hjerne.

READ  Symptomer på demens: To tidlige tegn i synet inkluderer synstap og hallusinasjoner.

Forskerne brukte elektriske pulser for å veksle disse bryterne mellom de isolerende og ledende tilstandene mens de tok stillbilder som viste subtile endringer i arrangementet av deres atomer på en milliarddel av et sekund. Disse øyeblikksbildene, tatt med SLACs ultra-raske elektrondiffraksjonskamera, MeV-UED, ble sydd sammen for å lage en molekylær film av atombevegelser.

Lederforsker Aditya Sood ser på ny forskning som kan føre til en bedre forståelse av hvor lite brytere fungerer innen elektroniske kretser. Kreditt: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

“Dette ultra-raske kameraet kan se inn i et materiale og ta øyeblikksbilder av hvordan dets atomer beveger seg som svar på en skarp puls av elektrisk eksitasjon,” sa samarbeidspartner Aaron Lindenberg, forsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC. og professor ved Institutt for materialvitenskap og ingeniørvitenskap ved Stanford University. “Samtidig måler den også hvordan de elektroniske egenskapene til materialet endres over tid.”

Med dette kameraet oppdaget teamet en ny mellomtilstand i materialet. Det opprettes når materialet reagerer på en elektrisk puls ved å skifte fra isolasjonstilstand til leder.

“Isolerende og ledende stater har litt forskjellige atomarrangementer, og det tar vanligvis energi å bytte fra den ene til den andre,” sa forsker og SLAC-samarbeidspartner Xiaozhe Shen. “Men når overgangen skjer gjennom denne mellomtilstanden, kan endringen finne sted uten noen endring i atomarrangementet.”

Åpne et vindu på atombevegelse

Selv om mellomtilstanden bare eksisterer i noen få milliondeler av et sekund, er den stabilisert av mangler i materialet.

For å følge opp denne forskningen undersøker teamet hvordan man kan konstruere disse manglene i materialer for å gjøre denne nye tilstanden mer stabil og holdbar. Dette vil tillate dem å lage enheter der elektronisk svitsjing kan forekomme uten atombevegelse, som vil fungere raskere og krever mindre energi.

READ  Forskere vil bygge en sædbank på månen

“Resultatene viser robustheten ved elektrisk bytte over millioner av sykluser og identifiserer mulige grenser for byttehastigheten til slike enheter,” sa samarbeidspartner Shriram Ramanathan, en Purdue-professor. “Forskningen gir uvurderlige data om de mikroskopiske fenomenene som oppstår under enhetsoperasjoner, noe som er avgjørende for å designe kretsmodeller i fremtiden.”

Forskningen tilbyr også en ny måte å syntetisere materialer som ikke eksisterer under naturlige forhold, slik at forskere kan observere dem på ultra-raske tidsskalaer og deretter potensielt justere egenskapene.

“Denne metoden gir oss en ny måte å se på enheter mens de fungerer, og åpne et vindu for å se hvordan atomer beveger seg,” sa hovedforfatter og SIMES-forsker Aditya Sood. “Det er spennende å samle ideer fra de tradisjonelt forskjellige fagfeltene elektroteknikk og ultrahurtig vitenskap. Vår tilnærming vil muliggjøre opprettelse av neste generasjons elektroniske enheter som kan møte verdens voksende behov for datakrevende smart databehandling. “

MeV-UED er et instrument for LCLS User Facility, som drives av SLAC på vegne av DOE Office of Science, som finansierte denne forskningen.

SLAC er et pulserende laboratorium med flere programmer som utforsker hvordan universet fungerer i de største, minste og raskeste skalaene og finner på kraftige verktøy som brukes av forskere over hele verden. Med forskning som spenner over partikkelfysikk, astrofysikk og kosmologi, materialer, kjemi, biovitenskap og vitenskapelig databehandling, hjelper vi med å løse problemer i den virkelige verden og fremme nasjonens interesser.

SLAC drives av Stanford University for US Department of Energy Office of Science. Office of Science er den største sponsoren for grunnleggende forskning innen naturvitenskap i USA og jobber for å takle noen av de mest presserende utfordringene i vår tid.

READ  Lanseringen av James Webb-romteleskop ble utsatt til november 2021