Forskere tager første øjebliksbilleder af ultrahurtig omstilling i en kvanteelektronisk enhed

Elektroniske kredsløb, der beregner og gemmer oplysninger, indeholder millioner af små switches, der styrer strømmen af ​​elektrisk strøm. En dybere forståelse af, hvordan disse små switches fungerer, kan hjælpe forskere med at skubbe grænserne for moderne computing.

Nu har forskere lavet de første øjebliksbilleder af atomer, der bevæger sig inde i en af ​​disse kontakter, når de tænder og slukker. Blandt andet, de opdagede en kortvarig tilstand inden for kontakten, der måske en dag kunne udnyttes til hurtigere og mere energieffektive computerenheder.

Forskergruppen fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Hewlett Packard Labs, Penn State University og Purdue University beskrev deres arbejde i et papir, der blev offentliggjort i Videnskab i dag.

"Denne forskning er et gennembrud inden for ultrahurtig teknologi og videnskab, "siger SLAC -videnskabsmand og samarbejdspartner Xijie Wang." Det er første gang, at forskere brugte ultrahurtig elektrondiffraktion, som kan detektere små atombevægelser i et materiale ved at sprede en kraftig elektronstråle fra en prøve, at observere en elektronisk enhed, mens den fungerer. "

Fanger cyklussen

Til dette eksperiment, teamet specialdesignede miniature elektroniske switche lavet af vanadiumdioxid, et prototypisk kvantemateriale, hvis evne til at skifte frem og tilbage mellem isolerende og elektrisk ledende tilstande nær stuetemperatur kunne udnyttes som en switch til fremtidig computing. Materialet har også applikationer inden for hjerneinspireret computing på grund af dets evne til at skabe elektroniske impulser, der efterligner de neurale impulser, der affyres i den menneskelige hjerne.

Forskerne brugte elektriske impulser til at skifte disse kontakter frem og tilbage mellem de isolerende og ledende tilstande, mens de tog snapshots, der viste subtile ændringer i arrangementet af deres atomer over milliarder af et sekund. Disse snapshots, taget med SLACs ultrahurtige elektrondiffraktionskamera, MeV-UED, blev spændt sammen for at skabe en molekylær film af atombevægelserne.

"Dette ultrahurtige kamera kan faktisk se inde i et materiale og tage øjebliksbilleder af, hvordan dets atomer bevæger sig som reaktion på en skarp puls af elektrisk excitation, "sagde samarbejdspartner Aaron Lindenberg, en efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved SLAC og professor i Institut for Materialevidenskab og teknik ved Stanford University. "På samme tid, det måler også, hvordan de elektroniske egenskaber ved dette materiale ændrer sig over tid. "

Med dette kamera, holdet opdagede en ny, mellemliggende tilstand i materialet. Det skabes, når materialet reagerer på en elektrisk puls ved at skifte fra den isolerende til den ledende tilstand.

"De isolerende og ledende tilstande har lidt forskellige atomarrangementer, og det tager normalt energi at gå fra det ene til det andet, "sagde SLAC -videnskabsmand og samarbejdspartner Xiaozhe Shen." Men når overgangen finder sted gennem denne mellemstat, skiftet kan finde sted uden ændringer af atomarrangementet. "

Åbner et vindue om atombevægelse

Selvom den mellemliggende tilstand kun eksisterer i nogle få milliontedele af et sekund, det stabiliseres af defekter i materialet.

For at følge op på denne forskning, teamet undersøger, hvordan man kan konstruere disse defekter i materialer for at gøre denne nye tilstand mere stabil og længerevarende. Dette vil give dem mulighed for at lave enheder, hvor elektronisk omskiftning kan forekomme uden atomisk bevægelse, som ville fungere hurtigere og kræve mindre energi.

"Resultaterne viser robustheden af ​​den elektriske omskiftning over millioner af cyklusser og identificerer mulige grænser for sådanne enheders skiftehastigheder, "sagde samarbejdspartner Shriram Ramanathan, professor ved Purdue. "Forskningen giver uvurderlige data om mikroskopiske fænomener, der opstår under enhedsoperationer, hvilket er afgørende for at designe kredsløbsmodeller i fremtiden. "

Forskningen tilbyder også en ny måde at syntetisere materialer, der ikke eksisterer under naturlige forhold, tillader forskere at observere dem på ultrahurtige tidsskalaer og derefter potentielt justere deres egenskaber.

"Denne metode giver os en ny måde at se enheder på, når de fungerer, åbner et vindue for at se på, hvordan atomerne bevæger sig, "sagde hovedforfatter og SIMES -forsker Aditya Sood." Det er spændende at samle ideer fra de traditionelt forskellige områder inden for elektroteknik og ultrahurtig videnskab. Vores tilgang vil muliggøre oprettelse af næste generations elektroniske enheder, der kan opfylde verdens voksende behov for datakrævende, intelligent computing. "