Forskere kaster nyt lys over fremtiden for nanoelektroniske enheder

Kunstig intelligens (AI) har potentialet til at transformere teknologier så forskellige som solpaneler, medicinske sensorer i kroppen og selvkørende køretøjer. Men disse applikationer presser allerede nutidens computere til deres grænser, når det kommer til hastighed, hukommelsesstørrelse og energiforbrug.

Heldigvis arbejder videnskabsmænd inden for kunstig intelligens, databehandling og nanovidenskab på at overvinde disse udfordringer, og de bruger deres hjerner som deres modeller.

Det skyldes, at kredsløbene, eller neuronerne, i den menneskelige hjerne har en væsentlig fordel i forhold til nutidens computerkredsløb:de kan lagre information og behandle den samme sted. Dette gør dem exceptionelt hurtige og energieffektive. Det er grunden til, at videnskabsmænd nu udforsker, hvordan man bruger materialer målt i milliardtedele af en meter - "nanomaterialer" - til at konstruere kredsløb, der fungerer som vores neuroner. For at gøre det med succes skal videnskabsmænd imidlertid forstå præcist, hvad der sker inden for disse nanomaterialekredsløb på atomniveau.

For nylig var et team af forskere, inklusive forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, banebrydende for en ny måde at evaluere præcis det på. Specifikt brugte de Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-brugerfacilitet, til at undersøge de ændringer, der sker i strukturen af ​​et specifikt nanomateriale, når det ændrer sig fra at lede en elektrisk strøm til ikke at lede. Dette efterligner skiftet mellem "on" og "off" tilstande i et neuralt kredsløb.

Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

I disse materialer er den ledende tilstand eller fase styret af ufuldkommenheder i materialet (eller "punktdefekter") på atomniveau. Ved at belaste nanomaterialet kan forskere ændre koncentrationen og ændre placeringen af ​​disse defekter. Dette ændrer elektronstrømmens vej. Disse defekter bevæger sig dog konstant, hvilket ændrer materialets ledende og ikke-ledende områder. Indtil nu har dette forslag været ekstremt vanskeligt at studere.

"Der har været en masse forskning om forekomsten og arten af ​​defekter i nanomaterialer," forklarede Dillon Fong, en materialeforsker ved Argonne. "Men vi vidste meget lidt om dynamikken i disse defekter, når et materiale skifter fase. Vi ønskede at vise, at man kan bruge røntgenstråler til at undersøge overgange mellem ledende og ikke-ledende faser i nanomaterialer under forhold, der ligner dem, hvorunder disse materialer. vil blive brugt." Holdet demonstrerede, hvordan APS kan hjælpe med at gøre dette muligt.

Til eksperimentet valgte forskerne et materiale, SrCoO_x , der nemt skifter mellem den ledende og ikke-ledende, isolerende fase. For at se fluktuationen mellem den ledende fase og den isolerende fase på nanoskala brugte de en teknik kaldet X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS). Dette muliggøres af de meget kohærente røntgenstråler fra APS. XPCS kan direkte måle, hvor hurtigt materialet svinger mellem forskellige faser på atomær skala, selv når disse fluktuationer knap kan detekteres.

"XPCS-målingen ville ikke være mulig uden den sammenhængende røntgenstråle fra APS," sagde Qingteng Zhang, en assisterende fysiker ved APS, der ledede røntgenmålingerne.

"Derudover er det vigtigt, at vi tager målingen under de samme forhold, som materialet vil fungere under. Dette giver os mulighed for at lære, hvordan materialet vil opføre sig, mens det udfører sin tilsigtede funktion. En sådan miljøkontrol kræver dog normalt forsegling af prøven i et kammer eller en kuppel Det er her den stærkt gennemtrængende røntgenstråle fra APS'en er yderst hjælpsom, for mens kammervinduet eller kuppelskallen er uigennemsigtigt for synligt lys, kan vi gøre begge dele helt gennemsigtige for røntgenstrålerne. ."

APS-opgraderingen – der nu er i gang – vil øge lysstyrken af ​​APS-røntgenstrålerne med op til 500 gange, når den er færdig i 2024. Dette vil øge målehastigheden betydeligt såvel som kvaliteten af ​​sammenhængende røntgenteknikker, herunder XPCS . Dette kan skabe hidtil usete videnskabelige muligheder for forskere over hele verden.

Det er en spændende udsigt for Panchapakesan Ganesh, en forsker ved DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Han ledede det teoretiske arbejde i undersøgelsen sammen med sine teammedlemmer Vitalii Starchenko, ORNL, og Guoxiang Hu, nu assisterende professor ved Georgia Tech.

"Data af høj kvalitet fra eksperimenter som disse er afgørende for vores evne til at udvikle teorier og bygge modeller, der kan fange, hvad der sker i nanoelektroniske materialer, når de går fra ledende til ikke-ledende faser," sagde Ganesh. "For eksempel er vi nødt til at lære, hvordan energi spredes i disse systemer, hvis vi skal udvikle nanoenheder, der nærmer os vores hjernes energieffektivitet.

"Ingen enkelt beregningsmæssig tilgang kan løse denne type problemer alene. Vi har brug for de bedste input fra både den eksperimentelle og beregningsvidenskabelige side for at fremme denne nanoskalaforståelse. Vores integrerede tilgang er et perfekt eksempel på det, og vi tror, ​​det vil anspore mere forskning inden for dette spændende nye felt."

Udover Fong og Zhang omfatter andre Argonne-forfattere E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan og H. Liu.

Flere oplysninger: Qingteng Zhang et al., Intermitterende defektsvingninger i oxidheterostrukturer, Avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202305383

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Argonne National Laboratory