Στιγμιότυπα της εναλλαγής Ultrafast στα κβαντικά ηλεκτρονικά προϊόντα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε ταχύτερες συσκευές υπολογιστών

Μια ομάδα ερευνητών δημιούργησε μια νέα μέθοδο για την καταγραφή εξαιρετικά γρήγορων ατομικών κινήσεων μέσα στους μικροσκοπικούς διακόπτες που ελέγχουν τη ροή του ρεύματος σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Εδώ απεικονίζονται οι Aditya Sood (αριστερά) και Aaron Lindenberg (δεξιά). Πίστωση: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Οι επιστήμονες τραβούν τα πρώτα στιγμιότυπα της εναλλαγής Ultrafast σε μια κβαντική ηλεκτρονική συσκευή

Ανακαλύπτουν μια βραχύβια κατάσταση που θα μπορούσε να οδηγήσει σε γρηγορότερες και 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 πώς λειτουργούν αυτοί οι μικροσκοπικοί διακόπτες θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να προωθήσουν τα σύνορα του σύγχρονου υπολογιστή.

Τώρα οι επιστήμονες έχουν κάνει τα πρώτα στιγμιότυπα ατόμων που κινούνται μέσα σε έναν από αυτούς τους διακόπτες καθώς ενεργοποιείται και απενεργοποιείται. Μεταξύ άλλων, ανακάλυψαν μια βραχύβια κατάσταση εντός του διακόπτη που μπορεί κάποια μέρα να αξιοποιηθεί για γρηγορότερες και πιο ενεργειακά αποδοτικές υπολογιστικές συσκευές.

Η ερευνητική ομάδα από το Εθνικό Εργαστήριο Επιτάχυνσης SLAC του Τμήματος Ενέργειας, το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, τα εργαστήρια Hewlett Packard, το Πανεπιστήμιο Penn State και το Πανεπιστήμιο Purdue περιέγραψαν 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. «Σηματοδοτεί την πρώτη φορά που οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εξαιρετικά γρήγορη περίθλαση ηλεκτρονίων, η οποία μπορεί να ανιχνεύσει μικροσκοπικές ατομικές κινήσεις σε ένα υλικό διασκορπίζοντας μια ισχυρή δέσμη ηλεκτρονίων από ένα δείγμα, για να παρατηρήσει μια ηλεκτρονική συσκευή καθώς λειτουργεί».

Ηλεκτρονική συσκευή Ultrafast Switching Quantum

Η ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρικούς παλμούς, που εμφανίζονται εδώ με μπλε χρώμα, για να ενεργοποιήσει και να απενεργοποιήσει τους προσαρμοσμένους διακόπτες αρκετές φορές. Χρονολόγησαν αυτούς τους ηλεκτρικούς παλμούς για να φτάσουν λίγο πριν από τους παλμούς ηλεκτρονίων που παράγονται από την εξαιρετικά γρήγορη πηγή περίθλασης ηλεκτρονίων MeAC-UED της SLAC, η οποία συνέλαβε τις ατομικές κινήσεις που συμβαίνουν μέσα σε αυτούς τους διακόπτες καθώς ενεργοποιήθηκαν και απενεργοποιήθηκαν. Πίστωση: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Καταγραφή του κύκλου

Για αυτό το πείραμα, οι ομαδοποιημένοι μικροσκοπικοί ηλεκτρονικοί διακόπτες κατασκευασμένοι από διοξείδιο του βαναδίου, ένα πρωτότυπο κβαντικό υλικό του οποίου η ικανότητα εναλλαγής μεταξύ μονωτικών και ηλεκτρικά αγώγιμων καταστάσεων κοντά σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσε να αξιοποιηθεί ως διακόπτης για μελλοντικούς υπολογιστές. Το υλικό έχει επίσης εφαρμογές σε υπολογιστές εμπνευσμένους από τον εγκέφαλο λόγω της ικανότητάς του να δημιουργεί ηλεκτρονικούς παλμούς που μιμούνται τις νευρικές παλμοί που πυροδοτούνται στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρικούς παλμούς για εναλλαγή αυτών των διακοπτών μεταξύ των μονωτικών και αγώγιμων καταστάσεων, λαμβάνοντας ταυτόχρονα στιγμιότυπα που έδειξαν λεπτές αλλαγές στη διάταξη των ατόμων τους πάνω από δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Αυτά τα στιγμιότυπα, που ελήφθησαν με την εξαιρετικά γρήγορη κάμερα περίθλασης ηλεκτρονίων του SLAC, MeV-UED, έδεσαν μαζί για να δημιουργήσουν μια μοριακή ταινία των ατομικών κινήσεων.


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

“Αυτή η εξαιρετικά γρήγορη κάμερα μπορεί πραγματικά να κοιτάξει μέσα σε ένα υλικό και να τραβήξει στιγμιότυπα για το πώς κινούνται τα άτομα του ως απόκριση σε έναν απότομο παλμό ηλεκτρικής διέγερσης”, δήλωσε ο συνεργάτης Aaron Lindenberg, ερευνητής στο Ινστιτούτο Stanford για Υλικά και Επιστήμες Ενέργειας (SIMES) στο SLAC και καθηγητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ. “Ταυτόχρονα, μετρά επίσης πώς αλλάζουν οι ηλεκτρονικές ιδιότητες αυτού του υλικού με την πάροδο του χρόνου.”

Με αυτήν την κάμερα, η ομάδα ανακάλυψε μια νέα, ενδιάμεση κατάσταση μέσα στο υλικό. Δημιουργείται όταν το υλικό αποκρίνεται σε έναν ηλεκτρικό παλμό αλλάζοντας από τη μόνωση στην αγώγιμη κατάσταση.

«Οι μονωτικές και αγώγιμες καταστάσεις έχουν ελαφρώς διαφορετικές ατομικές διευθετήσεις και συνήθως χρειάζεται ενέργεια για να μεταβούν 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 πραγματοποιηθεί χωρίς αλλαγές στην ατομική διάταξη.”

Άνοιγμα παραθύρου σε ατομική κίνηση

Αν και η ενδιάμεση κατάσταση υπάρχει μόνο για λίγα εκατοστά του δευτερολέπτου, σταθεροποιείται από ελαττώματα στο υλικό.

Για να δώσει συνέχεια σε αυτήν την έρευνα, η ομάδα ερευνά πώς να κατασκευάσει αυτά τα ελαττώματα στα υλικά για να κάνει αυτή τη νέα κατάσταση πιο σταθερή και μεγαλύτερη διάρκεια. Αυτό θα τους επιτρέψει να κάνουν συσκευές στις οποίες μπορεί να πραγματοποιηθεί ηλεκτρονική μεταγωγή χωρίς καμία ατομική κίνηση, οι οποίες θα λειτουργούσαν γρηγορότερα και θα απαιτούσαν λιγότερη ενέργεια.

«Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την ανθεκτικότητα της ηλεκτρικής εναλλαγής σε εκατομμύρια κύκλους και προσδιορίζουν πιθανά όρια στις ταχύτητες μεταγωγής τέτοιων συσκευών», δήλωσε ο συνεργάτης Shriram Ramanathan, καθηγητής στο Purdue. “Η έρευνα παρέχει ανεκτίμητα δεδομένα σχετικά με μικροσκοπικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία της συσκευής, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για το σχεδιασμό μοντέλων κυκλωμάτων στο μέλλον.”

Η έρευνα προσφέρει επίσης έναν νέο τρόπο σύνθεσης υλικών που δεν υπάρχουν υπό φυσικές συνθήκες, επιτρέποντας στους επιστήμονες να τα παρατηρήσουν σε εξαιρετικά γρήγορες χρονικές κλίμακες και, στη συνέχεια, να συντονίσουν τις ιδιότητές τους.

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

Το MeV-UED είναι ένα όργανο της εγκατάστασης χρηστών LCLS, το οποίο διαχειρίζεται η SLAC για λογαριασμό του Γραφείου Επιστημών του DOE, 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 επινοεί ισχυρά εργαλεία που χρησιμοποιούνται από επιστήμονες σε όλο τον κόσμο. Με έρευνα που καλύπτει τη φυσική των σωματιδίων, την αστροφυσική και την κοσμολογία, τα υλικά, τη χημεία, τις βιοεπιστήμες και τις ενεργειακές επιστήμες και τον επιστημονικό υπολογισμό, βοηθάμε στην επίλυση πραγματικών προβλημάτων και προάγουμε τα συμφέροντα του έθνους.

Το SLAC λειτουργεί από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ για το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Το Γραφείο Επιστημών είναι ο μοναδικός 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.

We will be happy to hear your thoughts

Leave a reply

bijou-social