超高效计算的关键：快速原子运动
最新更新时间：2021-08-01
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研究人员第一次能够想象计算机开关中的原子在打开和关闭时如何在快速时间尺度上移动。这种窥探原子世界的能力可能是一种新型计算机开关的关键，它将加速计算并减少计算机处理所需的能量。
该研究小组由来自能源部 SLAC 国家加速器实验室、斯坦福大学、惠普实验室、宾夕法尼亚州立大学和普渡大学的科学家组成，能够在设备切换时捕捉到原子运动的快照。研究人员认为，这项技术将产生的关于开关如何操作的新见解不仅会改进未来的开关技术，而且还将解决计算设备的最终速度和能耗限制。
计算机芯片中的开关控制电子的流动。通过向开关施加电荷然后去除该电荷，开关可以在充当绝缘体之间来回转动，该绝缘体阻止电子流向允许电子流的导体。这个开/关开关是二进制计算机逻辑“0-1”的基础。
在研究由二氧化钒制成的开关时，研究人员能够利用他们的成像技术检测到材料从绝缘体到导体然后再返回之间存在短暂的过渡阶段。
SLAC 国家实验室和斯坦福大学的博士后研究员Aditya Sood解释说：“在这种瞬态状态下，结构保持与起始绝缘状态相同，但存在电子重组使其变成金属。” “我们从电子衍射图案在这种电驱动转变过程中如何变化的微妙特征中推断出这一点。”
一组研究人员创造了一种新方法来捕捉控制电子电路中电流流动的微小开关内的超快原子运动。图为 Aditya Sood（左）和 Aaron Lindenberg（右）。
图源：GREG STEWART/SLAC 国家加速器实验室
为了观察这种瞬态，研究人员必须开发一种基于电子衍射的实时成像技术。电子衍射本身已经存在了几十年，并且经常用于透射电子显微镜(TEM)。但在之前的这些应用中，电子成像仅用于以静态方式研究材料的结构，或在缓慢的时间尺度上探测其演化。
虽然已经开发出超快电子衍射(UED) 来对原子结构进行时间分辨测量，但该技术的先前实施依赖于光脉冲来脉冲激发（或“泵浦”）材料并对由此产生的原子运动进行成像。
在这项研究中，科学家们第一次在这里做的是创造一种超快技术，其中电（非光）脉冲提供脉冲激发。这使得对设备进行电脉冲成为可能，在快速时间尺度（低至纳秒）上观察随后的原子尺度运动，同时测量通过设备的电流。
该团队使用此处以蓝色显示的电脉冲，多次打开和关闭他们定制的开关。他们对这些电脉冲进行计时，使其恰好在 SLAC 的超快电子衍射源 MeV-UED 产生的电子脉冲之前到达，后者捕获了原子运动。
图源：GREG STEWART/SLAC 国家加速器实验室
“我们现在有一种直接的方法可以将埃尺度上非常快速的原子运动与跨设备长度尺度的电子流相关联，”Sood 说。
为此，研究人员构建了一种新设备，该设备集成了一个电子设备，他们可以在该设备上施加快速电偏置脉冲，这样每个电偏置脉冲后跟一个“探测”电子脉冲（这会产生衍射图案，告诉我们关于其中原子）具有可控的时间延迟。
“通过多次重复，每次改变时间延迟，我们可以有效地构建电偏置期间和之后原子运动的电影，”苏德解释说。
此外，研究人员在设备周围建立了一个电路，以便能够同时测量瞬态开关过程中流过的电流。虽然为了这项研究而制造了定制的基于二氧化钒的开关，但 Sood 说，只要开关是 100 纳米或更薄以允许电子通过它，该技术就可以在任何类型的开关上工作.
Sood 说：“看看我们在基于二氧化钒的器件中观察到的多级瞬态开关现象是否在固态器件领域更广泛地被发现会很有趣。” “我们对看到一些新兴的存储器和逻辑技术的前景感到兴奋，我们第一次可以看到切换过程中发生的超快原子运动。”
斯坦福大学材料科学与工程系教授、Sood 在这项工作中的合作者Aaron Lindenberg说：“更一般地说，这项工作也为利用电场合成和稳定具有潜在有用功能的新材料开辟了新的可能性特性。”
该小组的研究发表在最近一期的《科学》杂志上。
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