يمكن أن تؤدي لقطات التحول الفائق السرعة في الإلكترونيات الكمومية إلى أجهزة حوسبة أسرع

ابتكر فريق من الباحثين طريقة جديدة لالتقاط الحركات الذرية فائقة السرعة داخل مفاتيح صغيرة تتحكم في تدفق التيار في الدوائر الإلكترونية. في الصورة ، Aditya Sood (يسار) و Aaron Lindenberg (يمين). الائتمان: جريج ستيوارت / مختبر المسرع الوطني SLAC

يأخذ العلماء لقطات أولية للتبديل الفائق السرعة في الجهاز الإلكتروني الكمومي

يكتشفون حالة قصيرة العمر يمكن أن تؤدي إلى أجهزة حوسبة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

تحتوي الدوائر الإلكترونية التي تحسب وتخزن المعلومات على ملايين المفاتيح الصغيرة التي تتحكم في تدفق التيار الكهربائي. يمكن أن يساعد الفهم الأفضل لكيفية عمل هذه المفاتيح الصغيرة الباحثين في دفع حدود الحوسبة الحديثة.

أخذ العلماء الآن اللقطات الأولى للذرات التي تتحرك داخل أحد هذه المفاتيح عند تشغيله وإيقافه. من بين أمور أخرى ، اكتشفوا حالة قصيرة العمر في المحول يمكن استغلالها يومًا ما للحصول على أجهزة حوسبة أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

وصف فريق بحث مختبر المسرع الوطني SLAC في قسم الطاقة ، جامعة ستانفورد ، مختبرات هيوليت باكارد ، جامعة ولاية بنسلفانيا وجامعة بوردو عملهم في مقال نُشر في العلم اليوم (15 يوليو 2021).

يقول Xijie Wang ، العالم والمتعاون في SLAC: “يعد هذا البحث طفرة في التكنولوجيا والعلوم بسرعة البرق”. “هذه هي المرة الأولى التي يستخدم فيها الباحثون حيود الإلكترون فائق السرعة ، والذي يمكنه اكتشاف الحركات الذرية الدقيقة في مادة ما عن طريق تشتيت حزمة قوية من الإلكترونات على عينة ، لمراقبة جهاز إلكتروني أثناء عمله.”

استخدم الفريق نبضات كهربائية ، موضحة هنا باللون الأزرق ، لتشغيل وإيقاف المفاتيح المخصصة لهم عدة مرات. لقد قاموا بضبط توقيت هذه النبضات الكهربائية للوصول قبل نبضات الإلكترون التي تنتجها مصدر حيود الإلكترون فائق السرعة من SLAC ، MeV-UED ، والتي التقطت الحركات الذرية التي تحدث داخل هذه المفاتيح عند تشغيلها وإيقافها. الائتمان: جريج ستيوارت / مختبر المسرع الوطني SLAC

التقط الدورة

من أجل هذه التجربة ، صمم الفريق مفاتيح إلكترونية مصغرة مصممة خصيصًا من ثاني أكسيد الفاناديوم ، وهي مادة كمومية نموذجية يمكن تسخير قدرتها على الانتقال من حالة عازلة إلى حالة موصلة كهربيًا بالقرب من درجة حرارة الغرفة كمفتاح للحساب في المستقبل. تحتوي المادة أيضًا على تطبيقات في الحوسبة المستوحاة من الدماغ نظرًا لقدرتها على إنشاء نبضات إلكترونية تحاكي النبضات العصبية التي يتم إطلاقها في الدماغ البشري.

استخدم الباحثون نبضات كهربائية لتبديل هذه المفاتيح بين حالات العزل والحالة الموصلة أثناء التقاط لقطات تظهر تغيرات طفيفة في ترتيب ذراتهم في جزء من المليار من الثانية. تم ربط هذه اللقطات ، التي تم التقاطها بكاميرا حيود الإلكترون فائقة السرعة من SLAC ، MeV-UED ، لإنشاء فيلم جزيئي للحركات الذرية.

https://www.youtube.com/watch؟v=P3qQxiyZVoA
يناقش الباحث الرئيسي Aditya Sood بحثًا جديدًا يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل لكيفية عمل المفاتيح الصغيرة داخل الدوائر الإلكترونية. الائتمان: أوليفييه بونين / المختبر الوطني لمسرعات SLAC

قال المتعاون آرون ليندنبرج ، الباحث في معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة (SIMES) في سلاك. وأستاذ في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة ستانفورد. “في الوقت نفسه ، يقيس أيضًا كيف تتغير الخصائص الإلكترونية لهذه المادة بمرور الوقت.”

باستخدام هذه الكاميرا ، اكتشف الفريق حالة وسيطة جديدة داخل المادة. يتم إنشاؤه عندما تستجيب المادة لنبضة كهربائية بالتحول من حالة عازلة إلى حالة موصلة.

قال Xiaozhe Shen ، العالم والمتعاون في SLAC: “الحالات العازلة والموصلة لها ترتيبات ذرية مختلفة قليلاً ، وعادة ما يتطلب الأمر طاقة للتبديل بينها”. “ولكن عندما يحدث الانتقال من خلال هذه الحالة الوسيطة ، يمكن أن يحدث التغيير دون أي تغيير في الترتيب الذري.”

افتح نافذة على الحركة الذرية

على الرغم من أن الحالة الوسيطة موجودة فقط لبضعة أجزاء من المليون من الثانية ، إلا أنها تستقر بسبب عيوب في المادة.

كمتابعة لهذا البحث ، يدرس الفريق كيفية تصميم هذه العيوب في المواد لجعل هذه الحالة الجديدة أكثر استقرارًا وأكثر ديمومة. سيسمح لهم ذلك بتصنيع الأجهزة التي يمكن أن يحدث فيها التبديل الإلكتروني دون أي حركة ذرية ، والتي من شأنها أن تعمل بشكل أسرع وتتطلب طاقة أقل.

قال شريرام راماناثان Shriram Ramanathan ، المساعد والأستاذ في جامعة بيرديو: “تُظهر النتائج متانة التبديل الكهربائي على مدى ملايين الدورات ، وتحدد الحدود المحتملة لسرعات التحويل لمثل هذه الأجهزة”. “يوفر البحث بيانات لا تقدر بثمن عن الظواهر المجهرية التي تحدث أثناء عمليات الجهاز ، وهو أمر حاسم لتصميم نماذج الدوائر في المستقبل.”

يقدم البحث أيضًا طريقة جديدة لتجميع المواد التي لا توجد في ظل الظروف الطبيعية ، مما يسمح للعلماء بمراقبتها في نطاقات زمنية فائقة السرعة ، ومن ثم تعديل خصائصها على الأرجح.

قال المؤلف الرئيسي والباحث في SIMES Aditya Sood: “تمنحنا هذه الطريقة طريقة جديدة للنظر إلى الأجهزة أثناء عملها ، وفتح نافذة لنرى كيف تتحرك الذرات”. “من المثير تجميع الأفكار من المجالات المميزة تقليديًا للهندسة الكهربائية والعلوم عالية السرعة. سيمكن نهجنا من إنشاء أجهزة إلكترونية من الجيل التالي قادرة على تلبية احتياجات العالم المتزايدة للحوسبة الذكية وكثيفة البيانات.

MeV-UED هي أداة تابعة لمرفق مستخدم LCLS ، الذي تديره SLAC نيابة عن مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ، والذي مول هذا البحث.

SLAC هو مختبر ديناميكي متعدد البرامج يستكشف كيفية عمل الكون على أكبر وأصغر وأسرع المقاييس ويبتكر أدوات قوية يستخدمها العلماء في جميع أنحاء العالم. من خلال البحث الذي يشمل فيزياء الجسيمات والفيزياء الفلكية وعلم الكونيات والمواد والكيمياء والعلوم البيولوجية والطاقة والحوسبة العلمية ، نساعد في حل مشاكل العالم الحقيقي وتعزيز اهتمامات العلوم. الأمة.

تدار SLAC من قبل جامعة ستانفورد لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. يعد مكتب العلوم أكبر داعم للبحث الأساسي في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ويعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحًا في عصرنا.