Ultrahurtigt kamera fanger skjult adfærd af potentielt neuromorfisk materiale

Forestil dig en computer, der kan tænke lige så hurtigt som den menneskelige hjerne, mens den bruger meget lidt energi. Det er målet for forskere, der søger at opdage eller udvikle materialer, der kan sende og behandle signaler lige så let som hjernens neuroner og synapser. At identificere kvantematerialer med en iboende evne til at skifte mellem to forskellige former (eller flere) kan være nøglen til disse futuristisk klingende "neuromorfe" computerteknologier.

I et papir netop offentliggjort i tidsskriftet Physical Review X, Yimei Zhu, en fysiker ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, og hans samarbejdspartnere beskriver overraskende nye detaljer om vanadiumdioxid, et af de mest lovende neuromorfe materialer. Ved at bruge data indsamlet af et unikt "stroboskopisk kamera" fangede holdet den skjulte bane for atombevægelse, da dette materiale går fra en isolator til et metal som reaktion på en lysimpuls. Deres resultater kunne hjælpe med at guide det rationelle design af højhastigheds- og energieffektive neuromorfe enheder.

"En måde at reducere energiforbruget i kunstige neuroner og synapser til hjerne-inspireret databehandling er at udnytte de udtalte ikke-lineære egenskaber af kvantematerialer," sagde Zhu. "Hovedidéen bag denne energieffektivitet er, at i kvantematerialer kan en lille elektrisk stimulus producere en stor reaktion, der kan være elektrisk, mekanisk, optisk eller magnetisk gennem en ændring af materialetilstand."

"Vanadiumdioxid er et af de sjældne, fantastiske materialer, der er dukket op som en lovende kandidat til neuro-mimetiske bio-inspirerede enheder," sagde han. Det udviser en isolator-metal overgang nær stuetemperatur, hvor en lille spænding eller strøm kan producere en stor ændring i resistivitet med switching, der kan efterligne adfærden af ​​både neuroner (nerveceller) og synapser (forbindelserne mellem dem).

"Det går fra fuldstændigt isolerende - som gummi - til en meget god metalleder med en modstandsændring på 10.000 gange eller mere," sagde Zhu.

Disse to meget forskellige fysiske tilstande, iboende i det samme materiale, kunne kodes til kognitiv databehandling.

Visualisering af ultrahurtige atombevægelser

Til deres eksperimenter udløste forskerne overgangen med ekstremt korte pulser af fotoner - lyspartikler. Derefter fangede de materialets atomskala-respons ved hjælp af et mega-elektron-volt ultrahurtig elektrondiffraktion (MeV-UED) instrument udviklet ved Brookhaven.

Du kan tænke på dette værktøj som et konventionelt kamera med lukkeren åben i mørke omgivelser, der affyrer intermitterende blitz for at fange noget som en kastet bold i bevægelse. Med hver blitz optager kameraet et billede; serien af ​​billeder taget på forskellige tidspunkter afslører boldens bane under flugten.

MeV-UED "stroboskopet" fanger dynamikken af ​​et objekt i bevægelse på en lignende måde, men på en meget hurtigere tidsskala (kortere end en trilliontedel af et sekund) og i en meget mindre længdeskala (mindre end en milliardtedel af en millimeter ). Den bruger højenergielektroner til at afsløre atomernes baner.

"Tidligere statiske målinger afslørede kun den indledende og endelige tilstand af vanadiumdioxid-isolator-til-metal-overgangen, men den detaljerede overgangsproces manglede," sagde Junjie Li, den første forfatter af papiret. "Vores ultrahurtige målinger gjorde det muligt for os at se, hvordan atomerne bevæger sig - for at fange de kortvarige forbigående (eller 'skjulte') tilstande - for at hjælpe os med at forstå dynamikken i overgangen."

Billederne alene fortæller ikke hele historien. Efter at have fanget op mod 100.000 "skud" brugte forskerne sofistikerede tidsopløste krystallografiske analyseteknikker, de havde udviklet for at forfine intensitetsændringerne af et par dusin "elektrondiffraktionstoppe." Det er de signaler, der produceres af elektroner, der spreder atomerne i vanadiumdioxidprøven, når atomer og deres orbitale elektroner bevæger sig fra isolatortilstand til metallisk tilstand.

"Vores instrument bruger acceleratorteknologi til at generere elektroner med en energi på 3 MeV, hvilket er 50 gange højere end mindre laboratoriebaserede ultrahurtige elektronmikroskopi- og diffraktionsinstrumenter," sagde Zhu. "Den højere energi giver os mulighed for at spore elektroner spredt i bredere vinkler, hvilket betyder, at vi kan 'se' atomernes bevægelser på mindre afstande med bedre præcision."

To-trins dynamik og en buet sti

Analysen afslørede, at overgangen foregår i to trin, hvor den anden fase er længere i varighed og langsommere i hastighed end den første. Det viste også, at banerne for atomernes bevægelser i anden fase ikke var lineære.

"Man skulle tro, at banen fra position A til B ville være en direkte lige linje - den kortest mulige afstand. I stedet var det en kurve. Dette var fuldstændig uventet," sagde Zhu.

Kurven var en indikation af, at der er en anden kraft, der også spiller en rolle i overgangen.

Tænk tilbage på de stroboskopiske billeder af en bolds bane. Når du kaster en bold, udøver du en kraft. Men en anden kraft, tyngdekraften, trækker også bolden til jorden, hvilket får banen til at bue.

I tilfælde af vanadiumdioxid er lysimpulsen den kraft, der får overgangen i gang, og krumningen i atomare baner er forårsaget af elektronerne, der kredser om vanadiumatomerne.

Undersøgelsen viste også, at et mål relateret til intensiteten af ​​lys, der bruges til at udløse den atomare dynamik, kan ændre atomare baner - svarende til den måde, den kraft, du udøver på en bold, kan påvirke dens vej. Når kraften er stor nok, kan enten system (kuglen eller atomerne) overvinde den konkurrerende interaktion for at opnå en næsten lineær bane.

For at verificere og bekræfte deres eksperimentelle resultater og yderligere forstå den atomare dynamik, udførte holdet også beregninger af molekylær dynamik og tæthedsfunktionel teori. Disse modelleringsstudier hjalp dem med at tyde de kumulative virkninger af kræfter for at spore, hvordan strukturerne ændrede sig under overgangen og gav tidsopløste øjebliksbilleder af atombevægelserne.

Papiret beskriver, hvordan kombinationen af ​​teori og eksperimentelle undersøgelser gav detaljeret information, herunder hvordan vanadium "dimerer" (bundne par vanadium atomer) strækker sig og roterer over tid under overgangen. Forskningen har også med succes adresseret nogle langvarige videnskabelige spørgsmål om vanadiumdioxid, herunder eksistensen af ​​en mellemfase under overgangen mellem isolator og metal, rollen af ​​fotoexcitationsinduceret termisk opvarmning og oprindelsen af ​​ufuldstændige overgange under fotoexcitation.

Denne undersøgelse kaster nyt lys over videnskabsmænds forståelse af, hvordan fotoinduceret elektronisk og gitterdynamik påvirker denne særlige faseovergang – og bør også hjælpe med at fortsætte med at skubbe udviklingen af ​​computerteknologi.

Når det kommer til at lave en computer, der efterligner den menneskelige hjerne, sagde Zhu, "vi har stadig en lang vej at gå, men jeg tror, ​​vi er på rette vej." + Udforsk yderligere

Skift identitet:Revolutionært isolatorlignende materiale leder også elektricitet