Электронные схемы, которые вычисляют и хранят информацию, содержат миллионы крошечных переключателей, управляющих потоком электрического тока. Более глубокое понимание того, как работают эти крошечные переключатели, может помочь исследователям расширить границы современных вычислений.

Теперь ученые сделали первые снимки атомов, движущихся внутри одного из этих переключателей, когда он включается и выключается. Среди прочего, они обнаружили кратковременное состояние внутри коммутатора, которое когда-нибудь может быть использовано для более быстрых и энергоэффективных вычислительных устройств.

Исследовательская группа из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики, Стэнфордского университета, Hewlett Packard Labs, Университета штата Пенсильвания и Университета Пердью описала свою работу в статье, опубликованной в журнале Science Today.

«Это исследование является прорывом в сверхбыстрых технологиях и науке», — говорит ученый и сотрудник SLAC Сицзе Ван. «Это первый случай, когда исследователи использовали сверхбыструю дифракцию электронов, которая может обнаруживать крошечные движения атомов в материале путем рассеивания мощного пучка электронов от образца, чтобы наблюдать за работой электронного устройства».

Захват цикла

Для этого эксперимента команда специально разработала миниатюрные электронные переключатели из диоксида ванадия, прототипа квантового материала, способность которого переключаться между изолирующим и электропроводящим состояниями при комнатной температуре может быть использована в качестве переключателя для будущих вычислений. Этот материал также находит применение в вычислениях, вдохновляемых мозгом, поскольку он способен создавать электронные импульсы, имитирующие нервные импульсы, возникающие в человеческом мозге.

Исследователи использовали электрические импульсы для переключения этих переключателей назад и вперед между изолирующим и проводящим состояниями, делая снимки, которые показали тонкие изменения в расположении их атомов за миллиардные доли секунды. Эти снимки, сделанные с помощью сверхбыстрой электронно-дифракционной камеры SLAC, MeV-UED, были соединены вместе, чтобы создать молекулярную картину движения атомов.

«Эта сверхбыстрая камера действительно может заглядывать внутрь материала и делать снимки того, как его атомы движутся в ответ на резкий импульс электрического возбуждения», — сказал сотрудник Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES) в SLAC Аарон Линденберг. и профессор кафедры материаловедения и инженерии Стэнфордского университета. «В то же время он также измеряет, как электронные свойства этого материала меняются с течением времени».

С помощью этой камеры команда обнаружила новое промежуточное состояние в материале. Он создается, когда материал реагирует на электрический импульс переключением из изолирующего в проводящее состояние.

«Изолирующее и проводящее состояния имеют немного разные атомные структуры, и обычно требуется энергия, чтобы перейти от одного к другому», — сказал ученый и сотрудник SLAC Сяочжэ Шэнь. «Но когда происходит переход через это промежуточное состояние, переключение может происходить без каких-либо изменений в атомной структуре».

Открытие окна об атомном движении

Хотя промежуточное состояние существует всего несколько миллионных долей секунды, оно стабилизируется дефектами материала.

Чтобы продолжить это исследование, команда изучает, как спроектировать эти дефекты в материалах, чтобы сделать это новое состояние более стабильным и долговечным. Это позволит им создавать устройства, в которых электронное переключение может происходить без движения атомов, которые будут работать быстрее и потреблять меньше энергии.

«Результаты демонстрируют надежность электрического переключения на протяжении миллионов циклов и определяют возможные ограничения скорости переключения таких устройств», — сказал соавтор Шрирам Раманатан, профессор Purdue. «Исследование предоставляет бесценные данные о микроскопических явлениях, которые происходят во время работы устройства, что имеет решающее значение для проектирования схемных моделей в будущем».

Исследование также предлагает новый способ синтеза материалов, которые не существуют в естественных условиях, что позволяет ученым наблюдать за ними в сверхбыстрых временных масштабах, а затем потенциально настраивать их свойства.

«Этот метод дает нам новый способ наблюдать за работой устройств, открывая окно, чтобы посмотреть, как движутся атомы», — сказал ведущий автор и исследователь SIMES Адитья Суд. «Приятно объединять идеи из традиционно различных областей электротехники и сверхбыстрой науки. Наш подход позволит создавать электронные устройства следующего поколения, которые смогут удовлетворить растущие мировые потребности в интеллектуальных вычислениях с интенсивным использованием данных».