Ils découvrent un état de courte durée qui pourrait conduire à des appareils informatiques plus rapides et plus économes en énergie –

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  • Les circuits électroniques qui calculent et stockent les informations contiennent des millions de minuscules commutateurs qui contrôlent le flux de courant électrique. Une meilleure compréhension du fonctionnement de ces minuscules commutateurs pourrait aider les chercheurs à repousser les frontières de l’informatique moderne.

    Les scientifiques ont maintenant réalisé les premiers instantanés d’atomes se déplaçant à l’intérieur de l’un de ces interrupteurs lorsqu’il s’allume et s’éteint. Entre autres choses, ils ont découvert un état de courte durée dans le commutateur qui pourrait un jour être exploité pour des appareils informatiques plus rapides et plus économes en énergie.

    L’équipe de recherche du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie, de l’Université de Stanford, des Hewlett Packard Labs, de la Penn State University et de la Purdue University a décrit ses travaux dans un article publié dans La science aujourd’hui.

    “Cette recherche est une percée dans la technologie et la science ultrarapides”, a déclaré Xijie Wang, scientifique et collaboratrice du SLAC. “C’est la première fois que des chercheurs utilisent la diffraction ultrarapide des électrons, qui peut détecter de minuscules mouvements atomiques dans un matériau en diffusant un puissant faisceau d’électrons sur un échantillon, pour observer un appareil électronique pendant qu’il fonctionne.”

    Capturer le cycle

    Pour cette expérience, l’équipe a conçu sur mesure des commutateurs électroniques miniatures en dioxyde de vanadium, un matériau quantique prototypique dont la capacité à passer d’un état isolant à un état conducteur électrique proche de la température ambiante pourrait être exploité comme un commutateur pour le calcul futur. Le matériau a également des applications dans l’informatique inspirée du cerveau en raison de sa capacité à créer des impulsions électroniques qui imitent les impulsions neurales déclenchées dans le cerveau humain.

    Les chercheurs ont utilisé des impulsions électriques pour basculer ces commutateurs entre les états isolant et conducteur tout en prenant des instantanés qui montraient des changements subtils dans la disposition de leurs atomes sur des milliardièmes de seconde. Ces instantanés, pris avec la caméra de diffraction d’électrons ultrarapide du SLAC, MeV-UED, ont été enchaînés pour créer un film moléculaire des mouvements atomiques.

    “Cette caméra ultrarapide peut réellement regarder à l’intérieur d’un matériau et prendre des instantanés de la façon dont ses atomes se déplacent en réponse à une impulsion d’excitation électrique”, a déclaré le collaborateur Aaron Lindenberg, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC. et professeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université de Stanford. “En même temps, il mesure également comment les propriétés électroniques de ce matériau changent au fil du temps.”

    Avec cette caméra, l’équipe a découvert un nouvel état intermédiaire au sein du matériau. Il est créé lorsque le matériau répond à une impulsion électrique en passant de l’état isolant à l’état conducteur.

    “Les états isolants et conducteurs ont des dispositions atomiques légèrement différentes, et il faut généralement de l’énergie pour passer de l’un à l’autre”, a déclaré Xiaozhe Shen, scientifique et collaboratrice du SLAC. “Mais lorsque la transition a lieu à travers cet état intermédiaire, le changement peut avoir lieu sans aucun changement dans l’arrangement atomique.”

    Ouvrir une fenêtre sur le mouvement atomique

    Bien que l’état intermédiaire n’existe que pour quelques millionièmes de seconde, il est stabilisé par des défauts du matériau.

    Pour faire suite à cette recherche, l’équipe étudie comment concevoir ces défauts dans les matériaux pour rendre ce nouvel état plus stable et plus durable. Cela leur permettra de fabriquer des dispositifs dans lesquels la commutation électronique peut se produire sans aucun mouvement atomique, ce qui fonctionnerait plus rapidement et nécessiterait moins d’énergie.

    “Les résultats démontrent la robustesse de la commutation électrique sur des millions de cycles et identifient les limites possibles des vitesses de commutation de tels dispositifs”, a déclaré le collaborateur Shriram Ramanathan, professeur à Purdue. “La recherche fournit des données inestimables sur les phénomènes microscopiques qui se produisent pendant les opérations de l’appareil, ce qui est crucial pour la conception de modèles de circuits à l’avenir.”

    La recherche offre également une nouvelle façon de synthétiser des matériaux qui n’existent pas dans des conditions naturelles, permettant aux scientifiques de les observer à des échelles de temps ultrarapides, puis d’ajuster potentiellement leurs propriétés.

    “Cette méthode nous donne une nouvelle façon de regarder les appareils pendant qu’ils fonctionnent, ouvrant une fenêtre pour voir comment les atomes se déplacent”, a déclaré l’auteur principal et chercheur du SIMES Aditya Sood. « Il est passionnant de rassembler des idées issues des domaines traditionnellement distincts de l’ingénierie électrique et de la science ultrarapide. Notre approche permettra la création d’appareils électroniques de nouvelle génération capables de répondre aux besoins croissants du monde en matière d’informatique intelligente et gourmande en données.

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