Instantâneos de comutação ultrarrápidos em eletrônica quântica podem levar a dispositivos de computação mais rápidos

Uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma nova maneira de capturar os movimentos atômicos ultrarrápidos dentro dos minúsculos interruptores que controlam o fluxo de corrente em circuitos eletrônicos. Na foto estão Aditya Sood (à esquerda) e Aaron Lindenberg (à direita). Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Os cientistas tiram instantâneos brutos de comutação ultrarrápida em um dispositivo eletrônico quântico

Eles descobrem um estado de curta duração que pode levar a dispositivos de computação mais rápidos e com maior eficiência energética.

Os circuitos eletrônicos que calculam e armazenam informações contêm milhões de minúsculos interruptores que controlam o fluxo da corrente elétrica. Uma compreensão mais profunda de como esses minúsculos interruptores funcionam pode ajudar os pesquisadores a ultrapassar os limites da computação moderna.

Os cientistas já fizeram os primeiros instantâneos dos átomos movendo-se dentro de um desses interruptores quando ele liga e desliga. Entre outras coisas, eles descobriram um estado de curta duração dentro do switch que poderia um dia ser explorado para dispositivos de computação mais rápidos e com maior eficiência energética.

A equipe de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia, da Stanford University, da Hewlett Packard Laboratories, da Pennsylvania State University e da Purdue University descreve seu trabalho em um artigo publicado em Ciência Hoje (15 de julho de 2021).

“Esta pesquisa é um avanço em tecnologia e ciência ultrarrápidas”, disse o cientista e colaborador do SLAC Xijie Wang. “É a primeira vez que pesquisadores usam difração de elétrons ultrarrápida, que pode detectar movimentos atômicos minúsculos em um material espalhando um forte feixe de elétrons de uma amostra, para observar um dispositivo eletrônico em ação.”

Dispositivo eletrônico quântico de comutação ultrarrápida

A equipe usou pulsos elétricos, mostrados aqui em azul, para ligar e desligar os interruptores sob demanda várias vezes. Eles cronometraram esses pulsos elétricos para chegarem antes dos pulsos de elétrons produzidos pela fonte de difração de elétrons ultrarrápida do SLAC MeV-UED, que capturou os movimentos atômicos que ocorrem dentro dessas chaves quando ligaram e desligaram. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

captura de sessão

Para este experimento, os interruptores eletrônicos em miniatura projetados pela equipe feitos de dióxido de vanádio, um material quântico modelo cuja capacidade de alternar entre os estados de isolamento e eletricamente condutores próximos à temperatura ambiente pode ser aproveitada como uma chave para a computação futura. O material também tem aplicações na computação inspirada no cérebro devido à sua capacidade de criar impulsos eletrônicos que imitam os impulsos nervosos disparados no cérebro humano.

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Os pesquisadores usaram pulsos elétricos para alternar essas chaves entre o estado de isolamento e o estado de condução, enquanto tiravam fotos que mostravam pequenas mudanças no arranjo de seus átomos ao longo de um bilionésimo de segundo. Esses instantâneos, capturados com a câmera ultrarrápida de difração de elétrons do SLAC, MeV-UED, foram costurados para criar um filme molecular de movimentos atômicos.

O pesquisador principal Aditya Sood discute uma nova pesquisa que pode levar a uma melhor compreensão de como as pequenas chaves funcionam dentro de circuitos eletrônicos. Crédito: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

“Esta câmera ultrarrápida pode realmente olhar dentro de um material e tirar imagens rápidas de como seus átomos se movem em resposta a um forte pulso de excitação elétrica”, disse o colaborador Aaron Lindenberg, investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) em SLAC. Ele é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford. “Ao mesmo tempo, também mede como as propriedades eletrônicas desse material mudam com o tempo.”

Usando esta câmera, a equipe descobriu um novo estado intermediário dentro do material. É criado quando um material responde a um pulso elétrico comutando de um estado isolante para um estado condutivo.

“Os estados isolantes e condutores têm arranjos atômicos ligeiramente diferentes e geralmente leva energia para ir de um para o outro”, disse o cientista e colaborador do SLAC Xiaozhe Shen. “Mas quando a transição ocorre por meio desse estado intermediário, a troca pode ocorrer sem nenhuma alteração no arranjo atômico.”

Abrindo uma janela no movimento atômico

Embora o estado intermediário esteja presente por alguns milionésimos de segundo, ele se estabiliza devido a imperfeições no material.

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Para continuar esta pesquisa, a equipe está estudando como projetar esses defeitos nos materiais para tornar esse novo estado mais estável e duradouro. Isso permitiria que eles fizessem dispositivos nos quais a comutação eletrônica pudesse ocorrer sem qualquer movimento atômico, o que funcionaria mais rápido e exigiria menos energia.

“Os resultados demonstram a robustez da comutação elétrica ao longo de milhões de ciclos e definem os limites potenciais para as velocidades de comutação para tais dispositivos”, disse o colaborador Shriram Ramanathan, professor da Purdue University. “A pesquisa fornece dados valiosos sobre fenômenos microscópicos que ocorrem durante as operações do dispositivo, o que é crítico para o projeto de modelos de circuitos futuros.”

A pesquisa também oferece um novo método para sintetizar materiais não encontrados em condições naturais, permitindo aos cientistas monitorá-los em escalas de tempo ultrarrápidas e, em seguida, ajustar suas propriedades.

“Este método nos dá uma nova maneira de observar os dispositivos em ação e abre uma janela para ver como os átomos se movem”, disse o pesquisador e autor principal do SIMES, Aditya Sood. “É empolgante reunir ideias de campos tradicionalmente privilegiados da engenharia elétrica e da ciência ultrarrápida. Nossa abordagem permitirá a criação de dispositivos eletrônicos de última geração que podem atender às crescentes necessidades mundiais de computação inteligente e com uso intensivo de dados.”

MeV-UED é uma ferramenta para o LCLS User Facility, operado pelo SLAC em nome do Office of Science do Departamento de Energia, que financiou esta pesquisa.

SLAC é um vibrante laboratório multiprograma que explora como o universo opera em escalas maiores, menores e mais rápidas e cria ferramentas poderosas usadas por cientistas em todo o mundo. Por meio de pesquisas que incluem física de partículas, astrofísica, cosmologia, materiais, química, biociências, energia e computação científica, ajudamos a resolver problemas do mundo real e promover os interesses da nação.

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O SLAC é operado pelo Escritório de Ciências da Universidade de Stanford do Departamento de Energia dos Estados Unidos. O Office of Science é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e trabalha para abordar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo.

Annaliese Franke

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