Las instantáneas de la conmutación ultrarrápida en la electrónica cuántica podrían conducir a dispositivos de procesamiento más rápidos

Los científicos toman las primeras instantáneas de la conmutación ultrarrápida en un dispositivo electrónico cuántico

Descubren un estado de corta duración que podría conducir a dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

Los circuitos electrónicos que calculan y almacenan información contienen millones de pequeños interruptores que controlan el flujo de corriente eléctrica. Una comprensión más profunda de cómo funcionan estos pequeños interruptores 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 conmutador que algún día podría aprovecharse para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

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 Ciencias hoy (15 de julio de 2021).

«Esta investigación es un gran avance en tecnología y ciencia ultrarrápidas», dice el científico y colaborador SLAC Xijie Wang. «Es la primera vez que los investigadores han utilizado la difracción electrónica ultrarrápida, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material mediante la dispersión de un potente haz de electrones de una muestra, para observar un dispositivo electrónico mientras funciona».

El equipo usó pulsos eléctricos, que se muestran aquí en azul, para encender y apagar sus interruptores personalizados varias veces. Programaron estos pulsos eléctricos para que llegaran justo antes de los pulsos de electrones producidos por la fuente de difracción de electrones ultrarrápida del SLAC MeV-UED, que capturó los movimientos atómicos que ocurren dentro de estos interruptores cuando se encienden y apagan. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Capturando el ciclo

Para este experimento, el equipo diseñó interruptores electrónicos en miniatura hechos a medida hechos de dióxido de vanadio, un prototipo de material cuántico cuya capacidad para alternar entre estados aislantes y estados conductores de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como interruptor para procesamiento futuro. El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear impulsos electrónicos que imitan los impulsos neuronales disparados al cerebro humano.

Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre el estado aislante y el 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 electrónica ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se juntaron para crear una película molecular de movimientos atómicos.

El investigador principal Aditya Sood analiza una nueva investigación que podría conducir a una mejor comprensión de cómo funcionan los interruptores diminutos dentro de los circuitos electrónicos. Crédito: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

«Esta cámara ultrarrápida puede mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un fuerte pulso de excitación eléctrica», dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto de Materiales y Energía de Stanford. ) en 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 impulso eléctrico pasando del estado aislante al conductor.

«Los estados aislantes y conductores tienen arreglos atómicos ligeramente diferentes y generalmente se necesita energía para cambiar entre ellos», dijo Xiaozhe Shen, científico y colaborador de SLAC. «Pero cuando la transición ocurre a través de este estado intermedio, la transición puede ocurrir sin ninguna modificación a la disposición atómica».

Abre una ventana sobre el movimiento atómico

Aunque el estado intermedio existe solo por unas pocas millonésimas de segundo, se estabiliza por defectos en el material.

Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo está estudiando cómo diseñar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y más duradero. Esto les permitirá fabricar dispositivos donde la conmutación electrónica puede ocurrir sin ningún movimiento atómico, lo que funcionaría 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 ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es fundamental 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, por lo tanto, potencialmente afinar sus propiedades.

«Este método nos brinda una nueva forma de observar los dispositivos mientras funcionan al abrir una ventana para observar cómo se mueven los átomos», dijo el autor principal e investigador SIMES Aditya Sood. “Es emocionante reunir ideas de los campos tradicionalmente distintos de la ingeniería eléctrica y la ciencia ultrarrápida. Nuestro enfoque permitirá la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación capaces de satisfacer las crecientes necesidades mundiales de procesamiento inteligente e intensivo de datos «.

MeV-UED es una herramienta de instalación del usuario de LCLS, operada por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.

SLAC es un vibrante laboratorio multiprograma que explora cómo funciona el universo a las escalas más grandes, más pequeñas y más rápidas e inventa poderosas herramientas utilizadas por científicos de todo el mundo. Con investigaciones que abarcan la física de partículas, la astrofísica y la cosmología, los materiales, la química, las ciencias biológicas y energéticas y la informática científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la nación.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford en nombre de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.