Materiał ferroelektryczny dostosowuje się do bodźców świetlnych poprzez reorganizację połączeń atomowych nanoskala w sposób przypominający plastyczność sieci neuronowych.
Naukowcy badają materiały ferroelektryczne pod kątem ich potencjału w energooszczędnej mikroelektronice. Materiały te mogą dostosowywać swoją strukturę w odpowiedzi na impulsy świetlne, tworząc różnorodne struktury domenowe, które mogą zrewolucjonizować przetwarzanie i przechowywanie danych, mając na celu znaczne zmniejszenie zużycia energii przez superkomputery i centra danych.
Odkrywanie adaptacyjnych materiałów ferroelektrycznych
„Współczesne superkomputery i centra danych wymagają wielu megawatów mocy” – powiedział Haidan Wen, fizyk z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE). „Jednym z wyzwań jest znalezienie materiałów do bardziej energooszczędnej mikroelektroniki. Obiecującym kandydatem jest materiał ferroelektryczny, który można zastosować w sztucznych sieciach neuronowych jako element energooszczędnej mikroelektroniki”.
Materiały ferroelektryczne są powszechnie stosowane w różnych urządzeniach przetwarzających informacje, takich jak pamięć komputera, tranzystory, czujniki i elementy wykonawcze. Naukowcy z Argonne National Laboratory odkryli zaskakujące zachowanie adaptacyjne materiału ferroelektrycznego, które może ewoluować krok po kroku w kierunku określonego wyniku w oparciu o liczbę fotonów z otrzymywanych impulsów świetlnych. Badania przeprowadzono we współpracy z naukowcami z Rice University, Pennsylvania State University i Lawrence Berkeley National Laboratory w DOE.
Materiał przedstawia połączone w sieć wyspy, czyli domeny, które różnią się od siebie, podobnie jak olej w wodzie. Domeny te, mierzone w nanometrach (miliardowych części metra), mogą zmieniać położenie w odpowiedzi na impulsy świetlne. To zachowanie adaptacyjne można zastosować, aby umożliwić energooszczędne przetwarzanie danych w mikroelektronice.
Próbka ferroelektryczna opracowana przez zespół ma strukturę kanapki naprzemiennych warstw ołowiu i tytanianu strontu. Ta siedmiowarstwowa kanapka, przygotowana przez współpracowników z Rice University, jest 1000 razy cieńsza niż kartka papieru. Wcześniej zespół oświetlił próbkę pojedynczym, intensywnym impulsem świetlnym i stworzył jednolite struktury uporządkowane w nanoskali.
„Współczesne superkomputery i centra danych wymagają wielu megawatów mocy. Jednym z wyzwań jest znalezienie materiałów do bardziej energooszczędnej mikroelektroniki. Obiecującym kandydatem jest materiał ferroelektryczny, który można zastosować w sztucznych sieciach neuronowych jako element energooszczędnej mikroelektroniki”.
Haidan Wen, fizyk Argonne
Innowacje dzięki nanodomenom indukowanym światłem
„Tym razem uderzyliśmy w próbkę wieloma słabymi impulsami świetlnymi, z których każdy trwał jedną biliardową sekundy” – powiedział Wen. „W rezultacie utworzono i zobrazowano rodzinę struktur domenowych, a nie pojedynczą strukturę, w zależności od dawki optycznej”.
Aby zwizualizować reakcje w nanoskali, zespół wykorzystał Nanosondę (linia wiązki 26-ID) obsługiwaną przez Centrum Materiałów w Nanoskali i Advanced Photon Source (APS). Obydwa są obiektami użytkownika DOE Office of Science w Argonne. Za pomocą Nanoprobe wiązka promieni rentgenowskich o średnicy kilkudziesięciu nanometrów skanowała próbkę wystawiona na działanie gradu ultraszybkich impulsów świetlnych.
Powstałe obrazy ukazały tworzenie, usuwanie i rekonfigurację połączonych w sieć nanodomen pod wpływem impulsów świetlnych. Regiony i granice tych domen ewoluowały i uległy zmianie przy długościach od 10 nanometrów – około 10 000 razy mniejszych od ludzkiego włosa – do 10 mikrometrów, mniej więcej wielkości kropelki chmury. Produkt końcowy zależał od liczby impulsów świetlnych zastosowanych do stymulacji próbki.
Przyszłe implikacje dla wydajności obliczeń
„Łącząc ultraszybki laser z linią wiązki Nanoprobe, możemy inicjować i kontrolować zmiany w połączonych w sieć nanodomenach za pomocą impulsów świetlnych, nie wymagając dużej ilości energii” – powiedział Martin Holt, naukowiec zajmujący się rentgenem i mikroskopią elektronową oraz lider grupy.
Próbka zaczyna się od układu nanodomen przypominającego pajęczynę, a na skutek zakłóceń wywołanych impulsami świetlnymi sieć rozpada się i tworzy zupełnie nowe konfiguracje, które działają w służbie jakiegoś pożądanego celu, analogicznie do sieci adaptacyjnej.
„Odkryliśmy zupełnie nowe układy tych nanodomen” – powiedział Stephan Hruszkewycz, fizyk i lider grupy Argonne. „Drzwi są teraz szeroko otwarte na wiele innych odkryć. W przyszłości będziemy mogli testować różne tryby stymulacji światłem i obserwować jeszcze więcej nieznanych nanodomen i sieci”. Możliwość wizualizacji zmian w nanoskali w czasie zostanie znacznie zwiększona dzięki niedawnej modernizacji APS, która zapewni aż 500 razy jaśniejsze wiązki promieniowania rentgenowskiego.
Dzięki temu przełomowemu odkryciu zależnych od czasu zmian w nanodomenach sieciowych programiści są na dobrej drodze do zbudowania adaptacyjnych sieci do przechowywania i przetwarzania informacji. Postęp ten stwarza szansę na stworzenie bardziej energooszczędnych systemów komputerowych.
Badania te opierają się na artykule pt Zaawansowane materiały.
Odniesienie: „Optyczna kontrola adaptacyjnych sieci domen w nanoskali”: Marc Zajac, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew J. Cherukara, John W. Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane W. Martin, Long-Qing Chen, Martin V. Holt, Stephan O. Hruszkewycz i Haidan Wen, 10 lipca 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202405294
Oprócz Wen, Holta i Hruszkewycza autorami są Marc Zając, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew Cherukara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane Martin i Long- Qing Chen.
Fundusze na badania pochodziły z Biura Podstawowych Nauk o Energii DOE.
