Ultraschnelle Schaltschnappschüsse in der Quantenelektronik könnten zu schnelleren Rechengeräten führen

Wissenschaftler machen rohe Schnappschüsse von ultraschnellem Schalten in einem quantenelektronischen Gerät

Sie entdecken einen kurzlebigen Zustand, der zu schnelleren, energieeffizienteren Computergeräten führen könnte.

Die elektronischen Schaltkreise, die Informationen berechnen und speichern, enthalten Millionen winziger Schalter, die den Stromfluss steuern. Ein tieferes Verständnis der Funktionsweise dieser winzigen Schalter könnte Forschern helfen, die Grenzen des modernen Computing zu erweitern.

Wissenschaftler haben jetzt die ersten Schnappschüsse von den Atomen gemacht, die sich beim Ein- und Ausschalten in einem dieser Schalter bewegen. Dabei entdeckten sie unter anderem einen kurzlebigen Zustand im Inneren des Switches, der eines Tages für schnellere, energieeffizientere Computergeräte ausgenutzt werden könnte.

Das Forschungsteam des SLAC National Accelerator Laboratory des Department of Energy, der Stanford University, der Hewlett Packard Laboratories, der Pennsylvania State University und der Purdue University beschreibt ihre Arbeit in einem in Wissenschaft Heute (15. Juli 2021).

„Diese Forschung ist ein Durchbruch in ultraschneller Technologie und Wissenschaft“, sagt SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Xijie Wang. „Es ist das erste Mal, dass Forscher ultraschnelle Elektronenbeugung verwenden, die winzige Atombewegungen in einem Material durch Streuen eines starken Elektronenstrahls von einer Probe erkennen kann, um ein elektronisches Gerät in Aktion zu beobachten.“

Das Team verwendete elektrische Impulse, hier blau dargestellt, um die Schalter bei Bedarf mehrmals ein- und auszuschalten. Sie haben diese elektrischen Pulse zeitlich so eingestellt, dass sie vor den Elektronenpulsen der ultraschnellen Elektronenbeugungsquelle des SLAC MeV-UED eintreffen, die die atomaren Bewegungen erfasst, die in diesen Schaltern beim Ein- und Ausschalten auftreten. Bildnachweis: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Sitzungsaufzeichnung

Für dieses Experiment könnten die speziell entwickelten mikroelektronischen Schalter des Teams aus Vanadiumdioxid verwendet werden, einem Modell-Quantenmaterial, das als Schlüssel für zukünftige Computer verwendet werden könnte. Das Material findet aufgrund seiner Fähigkeit, elektronische Impulse zu erzeugen, die im menschlichen Gehirn abgefeuerte Nervenimpulse nachahmen, auch Anwendungen im vom Gehirn inspirierten Computing.

Mit elektrischen Impulsen schalteten die Forscher diese Schalter zwischen dem isolierenden und dem leitenden Zustand hin und her und machten Schnappschüsse, die winzige Veränderungen in der Anordnung ihrer Atome über eine Milliardstel Sekunde zeigen. Diese Schnappschüsse, die mit der ultraschnellen Elektronenbeugungskamera MeV-UED von SLAC aufgenommen wurden, werden zu einem molekularen Film atomarer Bewegungen zusammengefügt.

Der leitende Forscher Aditya Sood diskutiert neue Forschungsergebnisse, die zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise kleiner Schalter in elektronischen Schaltungen führen könnten. Bildnachweis: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

„Diese ultraschnelle Kamera kann tatsächlich in ein Material blicken und schnelle Bilder davon aufnehmen, wie sich seine Atome als Reaktion auf einen scharfen elektrischen Anregungsimpuls bewegen“, sagte der Mitarbeiter Aaron Lindenberg, ein Forscher am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) at SLAC und Professor am Department of Materials Science and Engineering der Stanford University. „Gleichzeitig misst es auch, wie sich die elektronischen Eigenschaften dieses Materials im Laufe der Zeit ändern.“

Mit dieser Kamera entdeckte das Team einen neuen Zwischenzustand im Material. Es entsteht, wenn ein Material auf einen elektrischen Impuls reagiert, indem es von einem isolierenden in einen leitenden Zustand übergeht.

„Die isolierenden und leitenden Zustände haben leicht unterschiedliche atomare Anordnungen, und es braucht normalerweise Energie, um von einem zum anderen zu gelangen“, sagte SLAC-Wissenschaftler und Mitarbeiter Xiaozhe Shen. „Aber wenn der Übergang durch diesen Zwischenzustand erfolgt, kann der Wechsel erfolgen, ohne dass sich die atomare Anordnung ändert.“

Öffnen eines Fensters zur atomaren Bewegung

Obwohl der Zwischenzustand für wenige Millionstel Sekunden vorhanden ist, stabilisiert er sich aufgrund von Materialfehlern.

Um diese Forschung fortzusetzen, untersucht das Team, wie diese Defekte in den Materialien konstruiert werden können, um diesen neuen Zustand stabiler und langlebiger zu machen. Dies würde es ihnen ermöglichen, Geräte herzustellen, in denen elektronisches Schalten ohne atomare Bewegung erfolgen könnte, die schneller laufen und weniger Strom benötigen würden.

„Die Ergebnisse demonstrieren die Robustheit des elektrischen Schaltens über Millionen von Zyklen und definieren mögliche Grenzen für die Schaltgeschwindigkeiten für solche Geräte“, sagte Mitarbeiter Shriram Ramanathan, Professor an der Purdue University. „Die Forschung liefert unschätzbare Daten zu mikroskopischen Phänomenen, die während des Gerätebetriebs auftreten, was für den Entwurf zukünftiger Schaltungsmodelle entscheidend ist.“

Die Forschung bietet auch eine neue Methode zur Synthese von Materialien, die unter natürlichen Bedingungen nicht vorkommen, und ermöglicht es Wissenschaftlern, sie auf ultraschnellen Zeitskalen zu überwachen und dann ihre Eigenschaften zu verfeinern.

„Diese Methode bietet uns eine neue Möglichkeit, Geräte in Aktion zu beobachten, und öffnet ein Fenster, um zu sehen, wie sich Atome bewegen“, sagte Aditya Sood, Hauptautorin und Forscherin von SIMES. „Es ist spannend, Ideen aus traditionell privilegierten Bereichen der Elektrotechnik und der ultraschnellen Wissenschaft zusammenzubringen. Unser Ansatz wird die Entwicklung elektronischer Geräte der nächsten Generation ermöglichen, die den weltweit wachsenden Bedarf an intelligentem, datenintensivem Computing decken können.“

MeV-UED ist ein Tool für die LCLS User Facility, das vom SLAC im Auftrag des Office of Science des Department of Energy betrieben wird, das diese Forschung finanziert hat.

SLAC ist ein dynamisches Multi-Programm-Labor, das untersucht, wie das Universum im größten, kleinsten und schnellsten Maßstab funktioniert und leistungsstarke Werkzeuge entwickelt, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt verwendet werden. Durch Forschung, die Teilchenphysik, Astrophysik, Kosmologie, Materialien, Chemie, Biowissenschaften, Energie und wissenschaftliches Rechnen umfasst, helfen wir, reale Probleme zu lösen und die Interessen der Nation zu fördern.

SLAC wird vom Stanford University Office of Science des US-Energieministeriums betrieben. Das Office of Science ist der größte Unterstützer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.