Le istantanee di trasformazione ultraveloce nell’elettronica quantistica potrebbero portare a dispositivi di elaborazione più veloci

I ricercatori scattano le prime istantanee della commutazione ultraveloce in un dispositivo elettronico quantistico

Scoprono una condizione a breve termine che potrebbe portare a dispositivi informatici più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

I circuiti elettronici che calcolano e memorizzano le informazioni contengono milioni di minuscoli interruttori che controllano il flusso di corrente elettrica. Una comprensione più profonda di come funzionano questi minuscoli interruttori potrebbe aiutare i ricercatori a spingere i confini dell’informatica moderna.

Ora, gli scienziati hanno creato le prime istantanee di atomi che si muovono all’interno di un interruttore mentre si accende e si spegne. Tra le altre cose, hanno scoperto uno stato a breve termine dello switch che un giorno potrebbe essere utilizzato per unità di elaborazione dati più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

Il team di ricerca dello SLAC National Accelerator Laboratory del Department of Energy, della Stanford University, dei Hewlett Packard Laboratories, della Pennsylvania State University e della Purdue University ha descritto il loro lavoro in un articolo pubblicato su Scienza Oggi (15 luglio 2021).

“Questo studio è una svolta nella scienza e nella tecnologia ultraveloci”, ha affermato il ricercatore e partner SLAC Xijie Wang. Un potente fascio di elettroni dall’oscilloscopio per monitorare un dispositivo elettronico durante il funzionamento.

Il team ha utilizzato impulsi elettrici, mostrati qui in blu, per accendere e spegnere più volte gli interruttori assegnati. Hanno programmato questi impulsi elettrici per arrivare prima degli impulsi di elettroni prodotti dalla sorgente di diffrazione elettronica ultraveloce dello SLAC MeV-UED, che ha rilevato i movimenti atomici che si verificano in questi interruttori quando vengono accesi e spenti. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Cattura il corso

Per questo esperimento, il team ha creato interruttori elettronici in miniatura progettati su misura dal biossido di vanadio, un materiale quantistico modello la cui capacità di passare da condizioni dielettriche a condizioni di conduzione elettrica vicine alla temperatura ambiente potrebbe essere utilizzata come chiave per l’elaborazione futura. Il materiale ha anche applicazioni nell’informatica ispirata al cervello grazie alla sua capacità di creare impulsi elettronici che imitano gli impulsi nervosi sparati nel cervello umano.

Gli scienziati hanno utilizzato impulsi elettrici per commutare questi interruttori tra lo stato isolante e quello conduttivo mentre catturavano immagini fisse che mostravano piccoli cambiamenti nella disposizione dei loro atomi in un miliardesimo di secondo. Queste istantanee, catturate con la fotocamera a diffrazione elettronica ultraveloce di SLAC, MeV-UED, sono state unite per creare un film molecolare del movimento atomico.

Il ricercatore capo Aditya Sood sta esaminando nuove ricerche che potrebbero portare a una migliore comprensione di come funzionano i piccoli interruttori nei circuiti elettronici. Credito: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

ha affermato il collaboratore Aaron Lindenberg, ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) a Slack. È professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Stanford University. “Allo stesso tempo, misura anche come le proprietà elettroniche di un materiale cambiano nel tempo”.

Utilizzando questa fotocamera, il team ha scoperto un nuovo stato intermedio nel materiale. Si crea quando un materiale risponde a un impulso elettrico passando dallo stato isolante al conduttore.

“Paesi isolati e paesi guida hanno accordi nucleari leggermente diversi e di solito ci vuole energia per passare dall’uno all’altro”, ha affermato il ricercatore e partner SLAC Xiaozhe Shen. “Ma quando la transizione avviene attraverso questo stato intermedio, il cambiamento può avvenire senza alcun cambiamento nella disposizione nucleare”.

Apri una finestra sul moto atomico

Sebbene lo stato intermedio sia presente solo per pochi milionesimi di secondo, si stabilizza a causa delle imperfezioni del materiale.

Per continuare questa ricerca, il team sta studiando come costruire queste carenze nel materiale per rendere questo nuovo stato più stabile e durevole. Ciò consentirà loro di realizzare dispositivi in ​​cui la commutazione elettronica può avvenire senza movimento atomico, che funzioneranno più velocemente e richiederanno meno energia.

“I risultati mostrano la potenza della commutazione elettrica su milioni di cicli e definiscono i potenziali limiti per la velocità di commutazione di tali dispositivi”, ha affermato il collaboratore Shriram Ramanathan, professore alla Purdue University. “La ricerca fornisce dati inestimabili sui fenomeni microscopici che si verificano durante le operazioni del dispositivo, che è cruciale per la progettazione di futuri modelli di circuiti”.

La ricerca offre anche un nuovo metodo per sintetizzare materiali non presenti in condizioni naturali, consentendo agli scienziati di monitorarli su scale temporali ultraveloci e quindi di modificarne le proprietà.

“Questo metodo ci offre un nuovo modo di guardare i dispositivi mentre funzionano e di aprire una finestra per vedere come si muovono gli atomi”, ha affermato Aditya Sood, autore principale e ricercatore di SIMES. “È entusiasmante raccogliere idee dai campi tradizionalmente diversi dell’ingegneria elettrica e della scienza ultraveloce. Il nostro approccio consentirà la creazione di dispositivi elettronici di prossima generazione in grado di soddisfare le crescenti esigenze mondiali di elaborazione intelligente e ad alta intensità di dati”.

MeV-UED è uno strumento per LCLS User Facility, gestito da SLAC per conto dell’Office of Science del Dipartimento di Energia, che ha finanziato questa ricerca.

SLAC è un vivace laboratorio con diversi programmi che esplorano il modo in cui l’universo opera su scale più grandi, più piccole e più veloci e creano potenti strumenti utilizzati dagli scienziati di tutto il mondo. Attraverso la ricerca che include fisica delle particelle, astrofisica, cosmologia, materiali, chimica, scienze della vita e informatica scientifica, aiutiamo a risolvere i problemi del mondo reale e a promuovere gli interessi della nazione.

SLAC è gestito dall’Office of Science dell’Università di Stanford del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. L’Office of Science è il più grande sponsor della ricerca scientifica di base negli Stati Uniti e lavora per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.