Kuantum elektroniğindeki ultra hızlı anahtarlama anlık görüntüleri, daha hızlı bilgi işlem cihazlarına yol açabilir

Bir araştırma ekibi, elektronik devrelerdeki akım akışını kontrol eden küçük anahtarların içindeki ultra hızlı atomik hareketleri yakalamanın yeni bir yolunu tasarladı. Resimde Aditya Sood (solda) ve Aaron Lindenberg (sağda) görülüyor. Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

Bilim adamları, bir kuantum elektronik cihazda ultra hızlı geçişin ham anlık görüntülerini alıyor

Daha hızlı, daha enerji verimli bilgi işlem cihazlarına yol açabilecek kısa ömürlü bir durum keşfederler.

Bilgileri hesaplayan ve depolayan elektronik devreler, elektrik akımının akışını kontrol eden milyonlarca küçük anahtar içerir. Bu küçük anahtarların nasıl çalıştığına dair daha derin bir anlayış, araştırmacıların modern bilgi işlemin sınırlarını zorlamasına yardımcı olabilir.

Bilim adamları şimdi, açılıp kapanırken bu anahtarlardan birinin içinde hareket eden atomların ilk anlık görüntülerini aldılar. Diğer şeylerin yanı sıra, anahtarın içinde bir gün daha hızlı, daha enerji verimli bilgi işlem cihazları için kullanılabilecek kısa ömürlü bir durum keşfettiler.

Energy’nin SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı, Stanford Üniversitesi, Hewlett Packard Laboratories, Pennsylvania Eyalet Üniversitesi ve Purdue Üniversitesi’nden araştırma ekibi, çalışmalarını bir gazetede yayınlanan bir makalede anlatıyor. Bilim Bugün (15 Temmuz 2021).

SLAC bilim adamı ve işbirlikçisi Xijie Wang, “Bu araştırma, ultra hızlı teknoloji ve bilimde bir atılımdır” diyor. “Araştırmacılar, hareket halindeki bir elektronik cihazı gözlemlemek için bir numuneden güçlü bir elektron demeti saçarak bir malzemedeki küçük atomik hareketleri tespit edebilen ultra hızlı elektron kırınımı ilk kez kullandılar.”

Ekip, şalterleri istendiğinde birden çok kez açıp kapatmak için burada maviyle gösterilen elektrik darbelerini kullandı. Bu elektrik darbelerinin, açılıp kapanırken bu anahtarların içinde meydana gelen atomik hareketleri yakalayan SLAC MeV-UED’nin ultra hızlı elektron kırınım kaynağı tarafından üretilen elektron darbelerinden önce gelmesi için zamanladılar. Kredi: Greg Stewart/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

oturum yakalama

Bu deney için, ekibin özel olarak tasarlanmış, vanadyum dioksitten yapılmış minyatür elektronik anahtarları, bir model kuantum materyali olup, oda sıcaklığına yakın yalıtkan ve elektriksel olarak iletken durumlar arasında ileri geri değişebilme yeteneği, gelecekteki hesaplamaların anahtarı olarak kullanılabilir. Materyal ayrıca insan beyninde ateşlenen sinir uyarılarını taklit eden elektronik uyarılar yaratma yeteneğinden dolayı beyinden ilham alan bilgi işlem uygulamalarına da sahiptir.

Araştırmacılar, saniyenin milyarda biri kadar bir sürede atomlarının dizilişindeki küçük değişiklikleri gösteren anlık görüntüler çekerken, bu anahtarları yalıtım durumu ile iletken durum arasında ileri geri değiştirmek için elektrik darbeleri kullandılar. SLAC’ın ultra hızlı elektron kırınım kamerası MeV-UED ile yakalanan bu anlık görüntüler, moleküler bir atomik hareket filmi oluşturmak için bir araya getirildi.

Baş araştırmacı Aditya Sood, elektronik devrelerde küçük anahtarların nasıl çalıştığının daha iyi anlaşılmasına yol açabilecek yeni araştırmayı tartışıyor. Kredi: Olivier Bonin/SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı

Stanford Malzeme ve Enerji Bilimleri Enstitüsü’nde (SIMES) araştırmacı olan Aaron Lindenberg, “Bu ultra hızlı kamera aslında bir malzemenin içine bakabilir ve atomlarının keskin bir elektrik uyarım darbesine tepki olarak nasıl hareket ettiğinin hızlı görüntülerini alabilir” dedi. SLAC. Stanford Üniversitesi Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde profesördür. “Aynı zamanda, o malzemenin elektronik özelliklerinin zaman içinde nasıl değiştiğini de ölçer.”

Ekip, bu kamerayı kullanarak malzeme içinde yeni bir ara durum keşfetti. Bir malzeme, bir yalıtkan durumdan iletken bir duruma geçerek bir elektrik darbesine yanıt verdiğinde oluşturulur.

SLAC bilim adamı ve işbirlikçisi Xiaozhe Shen, “Yalıtım ve iletken durumlar biraz farklı atomik düzenlemelere sahiptir ve genellikle birinden diğerine gitmek enerji alır” dedi. “Fakat geçiş bu ara durumda gerçekleştiğinde, anahtar atomik düzende herhangi bir değişiklik olmaksızın gerçekleşebilir.”

Atomik hareket üzerine bir pencere açmak

Ara durum, saniyenin birkaç milyonda biri kadar bir süre için mevcut olmasına rağmen, malzemedeki kusurlar nedeniyle stabilize olur.

Bu araştırmaya devam etmek için ekip, bu yeni durumu daha istikrarlı ve daha uzun ömürlü hale getirmek için malzemelerdeki bu kusurların nasıl tasarlanacağını araştırıyor. Bu, elektronik anahtarlamanın herhangi bir atomik hareket olmadan gerçekleşebileceği, daha hızlı çalışacak ve daha az güç gerektiren cihazlar yapmalarına izin verecektir.

Purdue Üniversitesi’nde profesör olan işbirlikçi Shriram Ramanathan, “Sonuçlar, milyonlarca döngü boyunca elektriksel anahtarlamanın sağlamlığını gösteriyor ve bu tür cihazlar için anahtarlama hızları için potansiyel sınırları tanımlıyor” dedi. “Araştırma, gelecekteki devre modellerinin tasarımı için kritik olan cihaz işlemleri sırasında meydana gelen mikroskobik olaylar hakkında paha biçilmez veriler sağlıyor.”

Araştırma ayrıca, doğal koşullarda bulunmayan malzemeleri sentezlemek için yeni bir yöntem sunarak bilim adamlarının bunları ultra hızlı zaman ölçeklerinde izlemelerine ve ardından özelliklerine ince ayar yapmalarına olanak tanıyor.

SIMES’in baş yazarı ve araştırmacısı Aditya Sood, “Bu yöntem bize cihazları çalışırken izlemek için yeni bir yol sunuyor ve atomların nasıl hareket ettiğine bakmak için bir pencere açıyor” dedi. “Geleneksel olarak ayrıcalıklı elektrik mühendisliği ve ultra hızlı bilim alanlarından fikirleri bir araya getirmek heyecan verici. Yaklaşımımız, dünyanın artan akıllı, veri yoğun bilgi işlem ihtiyaçlarını karşılayabilecek yeni nesil elektronik cihazların oluşturulmasını sağlayacak.”

MeV-UED, bu araştırmayı finanse eden Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi adına SLAC tarafından işletilen LCLS Kullanıcı Tesisi için bir araçtır.

SLAC, evrenin en büyük, en küçük ve en hızlı ölçeklerde nasıl işlediğini araştıran ve dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları tarafından kullanılan güçlü araçlar yaratan canlı, çok programlı bir laboratuvardır. Parçacık fiziği, astrofizik, kozmoloji, malzeme, kimya, biyobilimler, enerji ve bilimsel hesaplamayı içeren araştırmalar yoluyla, gerçek dünyadaki sorunları çözmeye ve ulusun çıkarlarını geliştirmeye yardımcı oluyoruz.

SLAC, ABD Enerji Bakanlığı’nın Stanford Üniversitesi Bilim Ofisi tarafından işletilmektedir. Bilim Ofisi, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki fizik bilimlerindeki temel araştırmaların en büyük destekçisidir ve zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışmaktadır.