Le istantanee di commutazione ultraveloci nell’elettronica quantistica potrebbero portare a dispositivi di elaborazione più veloci

Gli scienziati scattano istantanee grezze della commutazione ultraveloce in un dispositivo elettronico quantistico

Scoprono uno stato di breve durata 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.

Gli scienziati hanno ora realizzato le prime istantanee degli atomi che si muovono all’interno di uno di quegli interruttori mentre si accende e si spegne. Tra le altre cose, hanno scoperto uno stato di breve durata all’interno dello switch che un giorno potrebbe essere sfruttato per dispositivi di elaborazione più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

Il team di ricerca dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia, della Stanford University, dei Hewlett Packard Laboratories, della Pennsylvania State University e della Purdue University descrive il loro lavoro in un articolo pubblicato su Scienza Oggi (15 luglio 2021).

«Questa ricerca è una svolta nella tecnologia e nella scienza ultraveloci», afferma lo scienziato e collaboratore SLAC Xijie Wang. «È la prima volta che i ricercatori utilizzano la diffrazione elettronica ultraveloce, in grado di rilevare piccoli movimenti atomici in un materiale disperdendo un forte fascio di elettroni da un campione, per osservare un dispositivo elettronico in azione».

Il team ha utilizzato impulsi elettrici, mostrati qui in blu, per accendere e spegnere gli interruttori su richiesta più volte. Hanno cronometrato questi impulsi elettrici per arrivare prima degli impulsi di elettroni prodotti dalla sorgente di diffrazione elettronica ultraveloce di SLAC MeV-UED, che ha catturato i movimenti atomici che si verificano all’interno di questi interruttori quando si accendono e si spengono. Credito: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

acquisizione della sessione

Per questo esperimento, gli interruttori elettronici in miniatura progettati dal team in biossido di vanadio, un materiale quantistico modello la cui capacità di cambiare avanti e indietro tra stati isolanti e stati elettricamente conduttivi vicino alla temperatura ambiente potrebbero essere sfruttati 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.

I ricercatori hanno utilizzato impulsi elettrici per commutare questi interruttori avanti e indietro tra lo stato isolante e lo stato conduttivo mentre scattavano istantanee 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 di movimenti atomici.

Il ricercatore capo Aditya Sood discute una nuova ricerca che potrebbe portare a una migliore comprensione di come funzionano i piccoli interruttori all’interno dei circuiti elettronici. Credito: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

«Questa fotocamera ultraveloce può effettivamente guardare all’interno di un materiale e scattare immagini veloci di come i suoi atomi si muovono in risposta a un forte impulso di eccitazione elettrica», ha affermato il collaboratore Aaron Lindenberg, ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso SLAC. È professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Stanford University. «Allo stesso tempo, misura anche come le proprietà elettroniche di quel materiale cambiano nel tempo».

Utilizzando questa fotocamera, il team ha scoperto un nuovo stato intermedio all’interno del materiale. Viene creato quando un materiale risponde a un impulso elettrico passando da uno stato isolante a uno stato conduttivo.

«Gli stati isolanti e conduttori hanno disposizioni atomiche leggermente diverse e di solito ci vuole energia per passare dall’uno all’altro», ha affermato Xiaozhe Shen, scienziato e collaboratore dello SLAC. «Ma quando la transizione avviene attraverso questo stato intermedio, il passaggio può avvenire senza alcun cambiamento nella disposizione atomica».

Aprire una finestra sul moto atomico

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

Per continuare questa ricerca, il team sta studiando come progettare questi difetti nei materiali per rendere questo nuovo stato più stabile e duraturo. Ciò consentirebbe loro di realizzare dispositivi in ​​cui la commutazione elettronica potrebbe avvenire senza alcun movimento atomico, che funzionerebbero più velocemente e richiederebbero meno energia.

«I risultati dimostrano la robustezza della commutazione elettrica su milioni di cicli e definiscono i potenziali limiti per le velocità di commutazione per 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 fondamentale per la progettazione di futuri modelli di circuiti».

La ricerca offre anche un nuovo metodo per sintetizzare materiali che non si trovano in condizioni naturali, consentendo agli scienziati di monitorarli su scale temporali ultraveloci e quindi mettere a punto le loro proprietà.

«Questo metodo ci offre un nuovo modo di osservare i dispositivi in ​​azione e apre una finestra per osservare come si muovono gli atomi», ha affermato Aditya Sood, autore principale e ricercatore di SIMES. «È entusiasmante riunire idee provenienti da settori tradizionalmente privilegiati 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 multi-programma che esplora il modo in cui l’universo opera alle scale più grandi, più piccole e più veloci e crea potenti strumenti utilizzati dagli scienziati di tutto il mondo. Attraverso la ricerca che include fisica delle particelle, astrofisica, cosmologia, materiali, chimica, bioscienze, energia 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 sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e lavora per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.