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 mejor comprensión de cómo funcionan estos pequeños interruptores podría ayudar a los investigadores a superar los límites de la informática moderna.

Los científicos ahora han tomado las primeras instantáneas de los átomos que se mueven dentro de uno de estos interruptores cuando se enciende y apaga. Entre otras cosas, descubrieron un estado de corta duración en el conmutador que algún día podría explotarse para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.

El equipo de investigación del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC en el 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 La ciencia hoy (15 de julio de 2021).

“Esta investigación es un gran avance en tecnología y ciencia ultrarrápidas”, dice Xijie Wang, científico y colaborador de SLAC. «Esta es la primera vez que los investigadores han utilizado la difracción de electrones ultrarrápida, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material mediante la dispersión de un poderoso haz de electrones en 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. Calcularon estos pulsos eléctricos para que llegaran justo antes de los pulsos de electrones producidos por la fuente de difracción de electrones ultrarrápida de 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

Captura el ciclo

Para este experimento, el equipo diseñó interruptores electrónicos en miniatura hechos a medida hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico prototípico cuya capacidad para pasar de un estado aislante a un estado conductor de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como un interruptor para cálculos futuros. 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 desencadenados en el cerebro humano.

Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre estados aislantes y conductores mientras tomaban instantáneas que mostraban cambios sutiles en la disposición de sus átomos en mil millonésimas de segundo. Estas instantáneas, tomadas con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se encadenaron 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 / Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC

«Esta cámara ultrarrápida puede realmente mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso de excitación eléctrica», dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto Stanford de Ciencias de Materiales y Energía (SIMES) 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 este 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 cambiando de un estado aislante a un estado 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 tiene lugar a través de este estado intermedio, el cambio puede tener lugar sin ningún cambio en la disposición atómica».

Abre una ventana al movimiento atómico

Aunque el estado intermedio solo existe durante unas millonésimas de segundo, está estabilizado por defectos en el material.

Como seguimiento de 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 en los que la conmutación electrónica pueda 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 Shriram Ramanathan, asociado y profesor de Purdue. «La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es crucial para el diseño de 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 luego potencialmente ajustar sus propiedades.

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

MeV-UED es un instrumento de la instalación para usuarios de LCLS, operado por SLAC en nombre de la Oficina de Ciencias del DOE, que financió esta investigación.

SLAC es un laboratorio dinámico de múltiples programas que explora cómo funciona el universo a las escalas más grandes, más pequeñas y más rápidas e inventa herramientas poderosas 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 computación científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la ciencia.

SLAC es administrado por la Universidad de Stanford para 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 trabaja para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo.