Свръхбързите превключващи снимки в квантовата електроника могат да доведат до по-бързи изчислителни устройства

Учените правят сурови снимки на свръхбързо превключване в квантово електронно устройство

Те откриват краткотрайно състояние, което може да доведе до по-бързи, по-енергийно ефективни изчислителни устройства.

Електронните схеми, които изчисляват и съхраняват информация, съдържат милиони малки превключватели, които контролират потока на електрическия ток. По-задълбоченото разбиране за това как работят тези малки суичове може да помогне на изследователите да разширят границите на съвременните изчисления.

Сега учените са направили първите снимки на атомите, които се движат вътре в един от тези превключватели, докато се включва и изключва. Наред с други неща, те откриха краткотрайно състояние в комутатора, което един ден може да бъде използвано за по-бързи и по-енергийно ефективни изчислителни устройства.

Изследователският екип от Националната лаборатория за ускорители SLAC към Департамента по енергетика, Станфордския университет, Hewlett Packard Laboratories, Pennsylvania State University и Purdue University описват работата си в статия, публикувана в Наука Днес (15 юли 2021 г.).

„Това изследване е пробив в свръхбързите технологии и наука“, казва ученият и сътрудник на SLAC Xijie Wang. „За първи път изследователите използват ултрабърза електронна дифракция, която може да открие малки атомни движения в материал чрез разпръскване на силен лъч електрони от проба, за да наблюдават електронно устройство в действие.“

Екипът използва електрически импулси, показани тук в синьо, за да включва и изключва превключвателите при поискване няколко пъти. Те определиха времето на тези електрически импулси да пристигнат преди електронните импулси, произведени от ултра бързия електронен дифракционен източник на SLAC MeV-UED, който улавяше атомните движения, които се появяват вътре в тези ключове, когато се включват и изключват. Кредит: Грег Стюарт / Национална ускорителна лаборатория SLAC

улавяне на сесия

За този експеримент могат да бъдат използвани специално проектираните от екипа микроелектронни превключватели, изработени от ванадиев диоксид, моделен квантов материал, който може да се използва като ключ за бъдещи изчисления. Материалът има приложения и в мозъчно-вдъхновени изчисления поради способността му да създава електронни импулси, които имитират нервни импулси, изстреляни в човешкия мозък.

Изследователите са използвали електрически импулси, за да превключват тези превключватели напред-назад между изолационното състояние и проводящото състояние, докато правят снимки, показващи малки промени в подреждането на техните атоми за милиардна част от секундата. Тези моментни снимки, направени с ултрабързата електронно-дифракционна камера на SLAC, MeV-UED, са свързани, за да създадат молекулярен филм от атомни движения.

Водещият изследовател Адитя Суд обсъжда нови изследвания, които биха могли да доведат до по-добро разбиране на това как малките ключове работят в електронните вериги. Кредит: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

„Тази свръхбърза камера всъщност може да гледа вътре в даден материал и да прави бързи изображения на това как нейните атоми се движат в отговор на остър импулс на електрическо възбуждане“, каза сътрудникът Аарон Линденберг, изследовател от Станфордския институт за материали и енергийни науки (SIMES) в SLAC и професор в катедрата по материалознание и инженерство, Станфордски университет. „В същото време той също измерва как електронните свойства на този материал се променят с течение на времето.“

Използвайки тази камера, екипът откри ново междинно състояние в материала. Създава се, когато материалът реагира на електрически импулс чрез превключване от изолационно състояние в проводящо състояние.

„Изолационните и проводящи състояния имат малко по-различни атомни устройства и обикновено е необходима енергия, за да се премине от едно към друго“, каза ученият и сътрудник на SLAC Xiaozhe Shen. „Но когато преходът се осъществи през това междинно състояние, превключването може да се случи без никакви промени в атомната подредба.“

Отваряне на прозорец за атомно движение

Въпреки че междинното състояние е налице за няколко милионни от секундата, то се стабилизира поради несъвършенства в материала.

За да продължи това изследване, екипът разглежда как да проектира тези дефекти в материалите, за да направи това ново състояние по-стабилно и по-дълготрайно. Това би им позволило да правят устройства, в които електронното превключване може да се случи без никакво атомно движение, което да работи по-бързо и да изисква по-малко енергия.

„Резултатите демонстрират стабилността на електрическото превключване в продължение на милиони цикли и определят потенциални граници за превключване на скоростите за такива устройства“, каза сътрудникът Шрирам Раманатан, професор от университета Пърдю. „Изследването предоставя безценни данни за микроскопични явления, които се случват по време на работа на устройствата, което е от решаващо значение за проектирането на бъдещи модели вериги.“

Изследването предлага и нов метод за синтезиране на материали, които не се срещат в естествени условия, позволявайки на учените да ги наблюдават на свръхбързи времеви скали и след това да прецизират свойствата им.

„Този ​​метод ни дава нов начин да наблюдаваме устройствата в действие и отваря прозорец за разглеждане на движението на атомите“, каза водещият автор и изследовател на SIMES Адитя Суд. „Вълнуващо е да обединим идеи от традиционно привилегированите области на електротехниката и свръхбързата наука. Нашият подход ще даде възможност за създаването на електронни устройства от следващо поколение, които могат да отговорят на нарастващите нужди на света от интелигентни, интензивни изчисления.“

MeV-UED е инструмент за LCLS User Facility, управляван от SLAC от името на Министерството на науката на Министерството на енергетиката, финансирало това изследване.

SLAC е жизнена многопрограмна лаборатория, която изследва как Вселената работи в най-големия, най-малкия и най-бърз мащаб и създава мощни инструменти, използвани от учени по целия свят. Чрез изследвания, които включват физика на елементарните частици, астрофизика, космология, материали, химия, биологични науки, енергетика и научни изчисления, ние помагаме за решаването на реални проблеми и напредъка на интересите на нацията.

SLAC се управлява от Службата за наука на Станфордския университет към Министерството на енергетиката на САЩ. Службата на науката е най-големият привърженик на основните изследвания във физическите науки в САЩ и работи за справяне с някои от най-належащите предизвикателства на нашето време.