Naukowcy udoskonalają energooszczędne superkomputery, wykorzystując fale gęstości ładunku w materiałach, technikę naśladującą neurony mózgu. Nowe metody mikroskopii w Argonne National Laboratory ujawniają, w jaki sposób fale te można manipulować za pomocą energii elektrycznej, oferując wgląd w szybsze, mniejsze i bardziej wydajne urządzenia mikroelektroniczne. Źródło: SciTechDaily.com
Fale gęstości ładunku mają zastosowanie w energooszczędnych komputerach nowej generacji.
Naukowcy wykorzystali ultraszybki mikroskop elektronowy do uchwycenia nanosekundowych zmian w materiale podczas pulsowania elektrycznego. Zrozumienie tych zmian może prowadzić do powstania bardziej energooszczędnej elektroniki.
Dzisiejsze superkomputery zużywają ogromne ilości energii, równe zużyciu energii przez tysiące domów. W odpowiedzi badacze opracowują bardziej energooszczędną formę superkomputerów nowej generacji, która wykorzystuje sztuczne sieci neuronowe. Sieci te naśladują procesy neuronów, podstawowej jednostki ludzkiego mózgu. Tę mimikrę można osiągnąć poprzez fale gęstości ładunku występujące w niektórych materiałach. Fale gęstości ładunku to falowe wzory elektronów – cząstek naładowanych ujemnie – które poruszają się w skorelowany sposób.
Odkrywanie dynamiki fal gęstości ładunku
Fale gęstości ładunku zwiększają opór ruchu elektronów w materiale. Możliwość kontrolowania fal mogłaby zapewnić szybkie włączanie i wyłączanie oporu. Właściwość tę można następnie wykorzystać do bardziej energooszczędnych obliczeń, a także ultraprecyzyjnego wykrywania. Nie jest jednak jasne, jak zachodzi proces przełączania, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że fale przechodzą z jednego stanu do drugiego w ciągu 20 miliardowych części sekundy.
„Ta nowa technika przyniosła rezultaty o szerokim zastosowaniu w energooszczędnej mikroelektronice”.
— Charudatta Phatak, materiałoznawca i zastępca dyrektora oddziału
Postępy w mikroskopii w Narodowym Laboratorium Argonne
Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) znaleźli nowy sposób badania tych fal. Aby to zrobić, wykorzystali ultraszybki mikroskop elektronowy w Centrum Materiałów Nanoskali, placówce użytkownika DOE Office of Science w Argonne. Opracowali nową technikę mikroskopii, która wykorzystuje impulsy elektryczne do obserwacji nanosekundowej dynamiki w materiale, o którym wiadomo, że w temperaturze pokojowej tworzy fale gęstości ładunku. Materiałem tym jest siarczek tantalu określany jako 1T-TaS2.
Zespół przetestował płatek tego siarczku z dwiema elektrodami podłączonymi do generowania impulsów elektrycznych. Uważano, że podczas krótkich impulsów powstałe wysokie pole elektryczne lub prądy mogą napędzać przełączanie rezystancji. Jednak dwie obserwacje wykonane za pomocą ultraszybkiego mikroskopu elektronowego zmieniły to zrozumienie.
Wzory dyfrakcyjne zarejestrowane przed i po 20-nanosekundowym impulsie elektrycznym. Gwiaździsty wzór małych białych plamek (po lewej) odpowiada początkowemu wzorowi fal gęstości ładunku, który jest chwilowo topiony przez ciepło wytwarzane przez impuls elektryczny (po prawej). Źródło: Krajowe Laboratorium Argonne
Po pierwsze, fale gęstości ładunku topiły się w odpowiedzi na ciepło wytwarzane przez wstrzykiwany prąd, a nie sam prąd ładowania, nawet podczas impulsów nanosekundowych. Po drugie, impulsy elektryczne wywoływały wibracje przypominające bęben w materiale, co zaburzało układ fal.
„Dzięki tej nowej technice określiliśmy dwa wcześniej niezaobserwowane sposoby, w jakie elektryczność może manipulować stanem fal gęstości ładunku” – powiedział Daniel Durham, badacz ze stopniem doktora w Argonne. „Reakcja topnienia naśladuje aktywację neuronów w mózgu, podczas gdy reakcja wibracyjna może generować sygnały odpalające podobne do neuronów w sieci neuronowej”.
Niniejsze badanie demonstruje nowe podejście do badania tego typu procesów przełączania elektrycznego. Ta ultraszybka metoda mikroskopii elektronowej pozwala naukowcom obserwować, jak funkcjonują materiały mikroelektroniczne nanoskala długości i prędkości nanosekundowe.
Dążenie do mniejszych, szybszych i wydajniejszych urządzeń mikroelektronicznych pozwoliło stworzyć materiał taki jak 1T-TaS2 atrakcyjny. Możliwość tworzenia warstwy w nanoskali również sprawia, że jest on atrakcyjny dla takich urządzeń.
Według Charudatta Phatak, materiałoznawcy i zastępcy dyrektora oddziału w Argonne, ta nowa technika przyniosła rezultaty o szerokim zastosowaniu w energooszczędnej mikroelektronice.
„Zrozumienie podstawowych mechanizmów kontrolowania fal gęstości ładunku jest ważne, ponieważ można je zastosować do innych materiałów, aby kontrolować ich właściwości” – powiedział Phatak.
Badanie to zostało opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego.
Odniesienie: „Nanosekundowa dynamika strukturalna podczas elektrycznego topienia fal gęstości ładunku w 1T-TaS2” Daniel B. Durham, Thomas E. Gage, Connor P. Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan, Supratik Guha i Charudatta Phatak, 28 maja 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
Oprócz Durhama i Phataka autorami są Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan i Supratik Guha. Horn i Guha mają wspólne spotkania w Uniwersytet w Chicago.
Prace te były wspierane w ramach zaproszenia Biura Naukowego DOE do badań w dziedzinie mikroelektroniki.
