Los circuitos electrónicos que calculan y almacenan información contienen millones de interruptores diminutos que controlan el flujo de la corriente eléctrica. Una comprensión más profunda de cómo funcionan estos interruptores diminutos podría ayudar a los investigadores a ampliar las fronteras de la informática moderna.
Ahora los científicos han hecho las primeras instantáneas de átomos que se mueven dentro de uno de esos interruptores cuando se enciende y apaga. Entre otras cosas, descubrieron un estado de corta duración dentro del interruptor que algún día podría explotarse para obtener una energía más rápida y eficiente.dispositivos informáticos.
El equipo de investigación del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, Hewlett Packard Labs, la Universidad de Penn State y la Universidad de Purdue describió su trabajo en un artículo publicado en ciencia hoy.
"Esta investigación es un gran avance en tecnología y ciencia ultrarrápidas", dice el científico y colaborador de SLAC Xijie Wang. "Es la primera vez que los investigadores utilizan la difracción de electrones ultrarrápida, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material mediante la dispersión de un haz potentede electrones de una muestra, para observar un dispositivo electrónico mientras funciona. "
capturando el ciclo
Para este experimento, el equipo diseñó a medida interruptores electrónicos en miniatura hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico prototípico cuya capacidad para cambiar entre estados aislantes y conductores de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como un interruptor para la computación futura.El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear pulsos electrónicos que imitan los impulsos neuronales disparados en el cerebro humano.
Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre los estados aislante y conductor mientras tomaban instantáneas que mostraban cambios sutiles en la disposición de sus átomos en mil millonésimas de segundo. Esas instantáneas, tomadas con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC,MeV-UED, se unieron para crear una película molecular de los movimientos atómicos.
"Esta cámara ultrarrápida puede mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso agudo de excitación eléctrica", dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford SIMESen SLAC y profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Stanford. "Al mismo tiempo, también mide cómo cambian las propiedades electrónicas de ese material con el tiempo".
Con esta cámara, el equipo descubrió un nuevo estado intermedio dentro del material. Se crea cuando el material responde a un pulso eléctrico al cambiar del estado aislante al conductor.
"Los estados aislantes y conductores tienen arreglos atómicos ligeramente diferentes, y generalmente se necesita energía para pasar de uno a otro", dijo Xiaozhe Shen, científica y colaboradora de SLAC. "Pero cuando la transición tiene lugar a través de este estado intermedio, el interruptorpuede tener lugar sin ningún cambio en la disposición atómica ".
Abriendo una ventana sobre movimiento atómico
Aunque el estado intermedio existe solo por unas pocas millonésimas de segundo, está estabilizado por defectos en el material.
Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo está investigando cómo diseñar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y duradero. Esto les permitirá fabricar dispositivos en los que la conmutación electrónica puede ocurrir sin ningún movimiento atómico, lo quefuncionaría más rápido y requeriría menos energía.
"Los resultados demuestran la solidez de la conmutación eléctrica durante millones de ciclos e identifican posibles límites a las velocidades de conmutación de dichos dispositivos", dijo el colaborador Shriram Ramanathan, profesor de Purdue. "La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurrendurante las operaciones del dispositivo, lo cual es crucial para diseñar modelos de circuitos en el futuro ".
La investigación también ofrece una nueva forma de sintetizar materiales que no existen en condiciones naturales, lo que permite a los científicos observarlos en escalas de tiempo ultrarrápidas y luego potencialmente ajustar sus propiedades.
"Este método nos brinda una nueva forma de ver los dispositivos a medida que funcionan, abriendo una ventana para ver cómo se mueven los átomos", dijo el autor principal e investigador de SIMES, Aditya Sood. "Es emocionante reunir ideas de lo tradicionalmente distintocampos de la ingeniería eléctrica y la ciencia ultrarrápida. Nuestro enfoque permitirá la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación que puedan satisfacer las crecientes necesidades mundiales de computación inteligente con uso intensivo de datos ".
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