Дифракционные картины, снятые до и после 20-наносекундного электрического импульса. Звездообразный рисунок из маленьких белых пятен слева соответствует исходному рисунку волны плотности заряда, который временно расплавлен теплом от электрического импульса справа. Кредит: Аргоннская национальная лаборатория.
Современные суперкомпьютеры потребляют огромное количество энергии, эквивалентное энергопотреблению тысяч домов. В ответ на это исследователи разрабатывают более энергоэффективную форму суперкомпьютеров следующего поколения, которая использует искусственные нейронные сети.
Эти сети имитируют процессы нейронов, базовых единиц человеческого мозга. Эта мимикрия может быть достигнута посредством волн плотности заряда, которые возникают в определенных материалах. Волны плотности заряда представляют собой волнообразные структуры электронов — отрицательно заряженных частиц, которые движутся коррелированным образом.
Волны плотности заряда увеличивают сопротивление движению электронов в материале. Возможность управления волнами могла бы обеспечить быстрое включение и выключение сопротивления. Это свойство затем можно было бы использовать для более энергоэффективных вычислений, а также сверхточного зондирования. Однако неясно, как происходит процесс переключения, особенно учитывая, что волны переходят из одного состояния в другое в течение 20 миллиардных долей секунды.
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) нашли новый способ изучения этих волн. Для этого они обратились к сверхбыстрому электронному микроскопу в Центре наноматериалов, пользовательском объекте Управления науки DOE в Аргонне. Они разработали новую технику микроскопии, которая использует электрические импульсы для наблюдения за наносекундной динамикой в материале, который, как известно, образует волны плотности заряда при комнатной температуре. Этот материал представляет собой сульфид тантала, называемый 1T-TaS2.
Команда испытала чешуйку этого сульфида с двумя электродами, прикрепленными для генерации электрических импульсов. Во время коротких импульсов считалось, что результирующее высокое электрическое поле или токи могут управлять переключением сопротивления. Но два наблюдения с помощью сверхбыстрого электронного микроскопа изменили это понимание.
Во-первых, волны плотности заряда расплавились в ответ на тепло, генерируемое инжектированным током, а не сам ток заряда, даже во время наносекундных импульсов. Во-вторых, электрические импульсы вызвали барабанные вибрации по всему материалу, которые раскачали расположение волн.
«Благодаря этой новой технике мы определили эти два ранее не наблюдавшихся способа, с помощью которых электричество может манипулировать состоянием волн плотности заряда», — сказал Дэниел Дарем, научный сотрудник Аргоннского университета. «А реакция плавления имитирует то, как нейроны активируются в мозге, в то время как вибрационная реакция может генерировать нейроноподобные сигналы срабатывания в нейронной сети».
Это исследование демонстрирует новый подход к изучению этих типов электрических процессов переключения. Этот сверхбыстрый метод электронной микроскопии позволяет исследователям наблюдать, как микроэлектронные материалы функционируют на наномасштабных длинах и наносекундных скоростях.
Стремление к более мелким, быстрым и эффективным микроэлектронным устройствам делает такой материал, как 1T-TaS2, привлекательным. А его способность формироваться в виде наномасштабного слоя также делает его привлекательным для таких устройств.
По словам Чарудатты Фатака, ученого-материаловеда и заместителя директора подразделения в Аргонне, эта новая технология дала результаты с широким применением в энергоэффективной микроэлектронике.
«Понимание фундаментальных механизмов того, как мы можем контролировать эти волны плотности заряда, важно, поскольку это можно применять к другим материалам для управления их свойствами», — сказал Фатак.
Это исследование было опубликовано в Physical Review Letters. Помимо Дарема и Фатака, авторами являются Томас Гейдж, Коннор Хорн, Сюэдань Ма, Хайхуа Лю, Илке Арслан и Супратик Гуха.
Дополнительная информация: Дэниел Б. Дарем и др., Наносекундная структурная динамика во время электрического плавления волн плотности заряда в 1T−TaS2, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
Информация о журнале: Physical Review Letters
Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией
