Các nhà khoa học chụp ảnh nhanh thô sơ về quá trình chuyển đổi cực nhanh trong một thiết bị điện tử lượng tử

Họ phát hiện ra một trạng thái tồn tại trong thời gian ngắn có thể dẫn đến các thiết bị tính toán nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.

Các mạch điện tử tính toán và lưu trữ thông tin chứa hàng triệu công tắc nhỏ điều khiển dòng điện. Hiểu sâu hơn về cách thức hoạt động của các thiết bị chuyển mạch nhỏ bé này có thể giúp các nhà nghiên cứu vượt qua ranh giới của máy tính hiện đại.

Các nhà khoa học hiện đã thực hiện những bức ảnh chụp nhanh đầu tiên về các nguyên tử di chuyển bên trong một trong những công tắc đó khi nó bật và tắt. Trong số những thứ khác, họ phát hiện ra một trạng thái tồn tại ngắn ngủi bên trong công tắc mà một ngày nào đó có thể được khai thác cho các thiết bị tính toán nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn.

Nhóm nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng, Đại học Stanford, Phòng thí nghiệm Hewlett Packard, Đại học Bang Pennsylvania và Đại học Purdue mô tả công việc của họ trong một bài báo được xuất bản trong Khoa học Hôm nay (ngày 15 tháng 7 năm 2021).

“Nghiên cứu này là một bước đột phá trong công nghệ và khoa học cực nhanh”, nhà khoa học kiêm cộng tác viên SLAC Xijie Wang cho biết. “Đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu sử dụng nhiễu xạ điện tử cực nhanh, có thể phát hiện chuyển động nhỏ của nguyên tử trong vật liệu bằng cách tán xạ một chùm điện tử mạnh từ một mẫu, để quan sát một thiết bị điện tử đang hoạt động.”

Nhóm đã sử dụng các xung điện, được hiển thị ở đây bằng màu xanh lam, để bật và tắt các công tắc theo yêu cầu nhiều lần. Họ hẹn giờ các xung điện này đến trước khi các xung điện tử được tạo ra bởi nguồn nhiễu xạ điện tử siêu nhanh của SLAC MeV-UED, nguồn này ghi lại các chuyển động nguyên tử xảy ra bên trong các công tắc này khi chúng bật và tắt. Tín dụng: Greg Stewart / Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC

chụp phiên

Đối với thí nghiệm này, các công tắc điện tử thu nhỏ được thiết kế riêng của nhóm làm bằng vanadi dioxide, một vật liệu lượng tử mô hình có khả năng thay đổi qua lại giữa các trạng thái cách điện và dẫn điện gần nhiệt độ phòng có thể được sử dụng như một chìa khóa cho máy tính trong tương lai. Vật liệu này cũng có các ứng dụng trong tính toán lấy cảm hứng từ não bộ nhờ khả năng tạo ra các xung điện tử bắt chước các xung thần kinh được kích hoạt trong não người.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung điện để chuyển đổi các công tắc này qua lại giữa trạng thái cách điện và trạng thái dẫn điện trong khi chụp ảnh nhanh cho thấy những thay đổi nhỏ trong sự sắp xếp của các nguyên tử của chúng trong một phần tỷ giây. Những bức ảnh chụp nhanh này, được chụp bằng máy ảnh nhiễu xạ điện tử cực nhanh của SLAC, MeV-UED, được ghép lại với nhau để tạo ra một màng phân tử về chuyển động của nguyên tử.

Trưởng nhóm nghiên cứu Aditya Sood thảo luận về nghiên cứu mới có thể giúp hiểu rõ hơn về cách các công tắc nhỏ hoạt động trong các mạch điện tử. Nhà cung cấp hình ảnh: Olivier Bonin / Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC

Cộng tác viên Aaron Lindenberg, một nhà điều tra tại Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES) cho biết: “Máy ảnh siêu nhanh này thực sự có thể nhìn vào bên trong vật liệu và chụp ảnh nhanh về cách các nguyên tử của nó di chuyển để đáp ứng với một xung kích thích điện mạnh. SLAC. Ông là giáo sư tại Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu tại Đại học Stanford. “Đồng thời, nó cũng đo lường các thuộc tính điện tử của vật liệu đó thay đổi như thế nào theo thời gian.”

Sử dụng máy ảnh này, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một trạng thái trung gian mới bên trong vật liệu. Nó được tạo ra khi một vật liệu phản ứng với một xung điện bằng cách chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện.

“Các trạng thái cách điện và dẫn điện có cách sắp xếp nguyên tử hơi khác nhau, và nó thường tốn năng lượng để truyền từ trạng thái này sang trạng thái khác”, nhà khoa học và cộng tác viên SLAC Xiaozhe Shen cho biết. “Nhưng khi sự chuyển đổi xảy ra qua trạng thái trung gian này, sự chuyển đổi có thể xảy ra mà không có bất kỳ thay đổi nào trong sự sắp xếp nguyên tử.”

Mở cửa sổ về chuyển động nguyên tử

Mặc dù trạng thái trung gian hiện diện trong vài phần triệu giây, nó ổn định do sự không hoàn hảo trong vật liệu.

Để tiếp tục nghiên cứu này, nhóm đang xem xét cách thiết kế các khuyết tật này trong vật liệu để làm cho trạng thái mới này ổn định hơn và lâu dài hơn. Điều này sẽ cho phép họ tạo ra các thiết bị trong đó chuyển đổi điện tử có thể xảy ra mà không có bất kỳ chuyển động nguyên tử nào, sẽ chạy nhanh hơn và yêu cầu ít năng lượng hơn.

Cộng tác viên Shriram Ramanathan, giáo sư tại Đại học Purdue, cho biết: “Các kết quả chứng minh sự mạnh mẽ của việc chuyển đổi điện qua hàng triệu chu kỳ và xác định các giới hạn tiềm năng cho tốc độ chuyển đổi của các thiết bị như vậy. “Nghiên cứu cung cấp dữ liệu vô giá về các hiện tượng vi mô xảy ra trong quá trình hoạt động của thiết bị, điều này rất quan trọng đối với việc thiết kế các mô hình mạch trong tương lai.”

Nghiên cứu cũng đưa ra một phương pháp mới để tổng hợp các vật liệu không có trong điều kiện tự nhiên, cho phép các nhà khoa học theo dõi chúng trên thang thời gian cực nhanh và sau đó tinh chỉnh các đặc tính của chúng.

Aditya Sood, tác giả và nhà nghiên cứu chính của SIMES cho biết: “Phương pháp này mang đến cho chúng tôi một cách mới để theo dõi các thiết bị đang hoạt động và mở ra một cửa sổ để xem cách các nguyên tử di chuyển. “Thật thú vị khi tập hợp các ý tưởng từ các lĩnh vực kỹ thuật điện và khoa học cực nhanh đặc quyền truyền thống. Cách tiếp cận của chúng tôi sẽ cho phép tạo ra các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thế giới về máy tính thông minh, sử dụng nhiều dữ liệu.”

MeV-UED là một công cụ cho Cơ sở Người dùng LCLS, được điều hành bởi SLAC thay mặt cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng, đã tài trợ cho nghiên cứu này.

SLAC là một phòng thí nghiệm đa chương trình sôi động khám phá cách vũ trụ vận hành ở quy mô lớn nhất, nhỏ nhất và nhanh nhất và tạo ra các công cụ mạnh mẽ được các nhà khoa học trên khắp thế giới sử dụng. Thông qua nghiên cứu bao gồm vật lý hạt, vật lý thiên văn, vũ trụ học, vật liệu, hóa học, khoa học sinh học, năng lượng và máy tính khoa học, chúng tôi giúp giải quyết các vấn đề trong thế giới thực và thúc đẩy lợi ích của quốc gia.

SLAC được điều hành bởi Văn phòng Khoa học Đại học Stanford thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Văn phòng Khoa học là cơ quan hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và hoạt động để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta.