En electrónica cuántica, las fotos de alta velocidad pueden conducir a dispositivos informáticos más rápidos

Un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo método para registrar movimientos atómicos de alta velocidad dentro de pequeños interruptores que controlan el flujo de corriente en circuitos electrónicos. En la foto aparecen Aditya Sood (izquierda) y Aaron Lindenberg (derecha). Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Los científicos toman las primeras fotos de un dispositivo electrónico cuántico de alta velocidad

Detectan una condición a corto plazo que puede conducir a dispositivos informáticos más rápidos y eficientes desde el punto de vista energético.

Los circuitos electrónicos que almacenan y almacenan información contienen millones de pequeños interruptores que controlan el flujo de electricidad. Una comprensión más profunda de cómo funcionan estos pequeños interruptores puede ayudar a los investigadores a superar los límites de la informática moderna.

Los científicos ahora han tomado las primeras fotografías de átomos entrando y saliendo de uno de esos interruptores. Entre otras cosas, encontraron un cortocircuito en el conmutador que algún día podría usarse para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

El equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, Hewlett Packard Labs, la Universidad de Penn State y la Universidad de Purdue describen su trabajo Ciencias: hoy (15 de julio de 2021).

«Esta investigación es un gran avance en la ciencia de alta tecnología», dijo Sizi Wang, un científico colega de SLAC. «Esta es la primera vez que los investigadores han utilizado la difracción de electrones de alta velocidad, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en la materia mediante la dispersión de un poderoso 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. Hicieron posible que estos impulsos eléctricos alcanzaran los pulsos de electrones producidos por MeV-UED, la fuente de difracción electrónica de alta velocidad de SLAC, que capturaba los movimientos atómicos dentro de los interruptores cuando se encendían y apagaban. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Captura el Apt ikl

Para este experimento, el equipo desarrolló interruptores electrónicos en miniatura especialmente diseñados hechos de dióxido de vanadio, un prototipo de material cuántico que se puede cambiar a temperatura ambiente con la capacidad de cambiar entre «estados de conductores eléctricos» y avanzar como un futuro disyuntor. La sustancia también se usa en computadoras inspiradas en el cerebro para generar impulsos electrónicos que imitan los impulsos nerviosos del cerebro humano.

Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para «cambiar» estos interruptores de un lado a otro entre los «estados de transmisión» de aislamiento mientras los filmaban mostrando cambios sutiles en la disposición de sus átomos en una milmillonésima de segundo. Estas fotos, tomadas con la cámara de difracción electrónica de alta velocidad de SLAC, MeV-UED, se unieron para crear una película molecular de movimientos atómicos.

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El investigador principal Aditya Sood está discutiendo una nueva investigación que podría comprender mejor cómo funcionan los pequeños interruptores dentro de los circuitos electrónicos. Préstamo: Olivier Bonnie / SLAC National Accelerator Laboratory

«Esta cámara de alta velocidad puede mirar dentro de un material y fotografiar cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso agudo de estimulación eléctrica», dijo Aaron Lindenberg, investigador asociado del Instituto de Ciencias de la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC. Profesor de la Universidad de Stanford, Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. «Al mismo tiempo, 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 un material responde a una descarga eléctrica al pasarlo a través de un aislante.

«Los estados de aislamiento son ligeramente diferentes de la disposición atómica; generalmente se necesita energía para cambiar de uno a otro», dijo Xiaozhen Shen, un científico colega de SLAC. «Pero cuando la transición tiene lugar a través de este estado intermedio, el cambio puede ocurrir sin ningún cambio en la disposición atómica».

Abriendo una ventana sobre el movimiento atómico

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

Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo está explorando cómo diseñar estos defectos materiales para hacer que esta nueva situación sea más sostenible y duradera. Esto les permitirá fabricar dispositivos en los que el apagado electrónico puede tener lugar sin ningún movimiento atómico, lo que funcionará más rápido y requerirá menos energía.

«Los resultados muestran la estabilidad de desconexión eléctrica de millones de ciclos, revelando las posibles limitaciones de la velocidad de apagado de tales dispositivos», dijo Sriram Ramanathan, profesor de Purdue. «La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante el funcionamiento del dispositivo, que podrían usarse para diseñar futuros modelos de circuitos».

La investigación también sugiere una nueva forma de sintetizar sustancias que no existen en condiciones naturales, lo que permite a los científicos observarlas a altas velocidades y luego potencialmente ajustar sus propiedades.

«Este método nos permite observar los dispositivos mientras operan, abriendo una ventana para ver cómo se mueven los átomos», dijo el autor principal, el investigador de SIMES Aditya Sud. «Es interesante combinar ideas de campos tradicionalmente diferentes de la ingeniería eléctrica y la ciencia de alta velocidad. «Nuestro enfoque nos permitirá crear una nueva generación de dispositivos electrónicos que puedan satisfacer las crecientes necesidades del mundo inteligente y de uso intensivo de datos».

MeV-UED es una herramienta de conveniencia para el usuario de LCLS operada por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió este estudio.

SLAC es un laboratorio multiprocesador viable que estudia cómo funciona el universo en la escala más grande, más pequeña y más rápida, y crea herramientas poderosas que utilizan los científicos del mundo. A través de la física de partículas, astrofísica, cosmología, materiales, química, bioenergía, cálculos científicos, ayudamos a resolver problemas reales, promover los intereses de la nación.

SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias de la Energía de EE. UU. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de las principales investigaciones en ciencias físicas en los Estados Unidos, y trabaja para abordar los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.