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

Un equipo de investigadores ha ideado una nueva forma de capturar los movimientos atómicos ultrarrápidos dentro de los diminutos interruptores que controlan el flujo de corriente en los circuitos electrónicos. En la foto aparecen Aditya Sood (izquierda) y Aaron Lindenberg (derecha). Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Los científicos toman instantáneas sin procesar 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 superar los límites de la informática moderna.

Los científicos ahora han hecho las primeras instantáneas de los 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 Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, los Laboratorios Hewlett Packard, la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad de Purdue describen 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 de SLAC Xijie Wang. “Es la primera vez que los investigadores han utilizado la difracción de electrones ultrarrápida, que puede detectar movimientos atómicos diminutos en un material mediante la dispersión de un fuerte haz de electrones de una muestra, para observar un dispositivo electrónico en acción”.

Dispositivo electrónico cuántico de conmutación ultrarrápida

El equipo usó pulsos eléctricos, que se muestran aquí en azul, para encender y apagar los interruptores bajo demanda varias veces. Programaron estos pulsos eléctricos para que llegaran antes que 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

captura de sesión

Para este experimento, los interruptores electrónicos en miniatura diseñados a medida del equipo hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico modelo cuya capacidad para cambiar entre estados aislantes y conductores eléctricos cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como clave para la informática futura. El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear impulsos electrónicos que imitan los impulsos nerviosos disparados en el cerebro humano.

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Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre el estado aislante y el estado conductor mientras tomaban instantáneas que mostraban pequeños cambios en la disposición de sus átomos durante una milmillonésima de segundo. Estas instantáneas, capturadas con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se unieron 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 pequeños interruptores dentro de los circuitos electrónicos. Crédito: Olivier Bonin / SLAC National Accelerator Laboratory

“Esta cámara ultrarrápida realmente puede mirar dentro de un material y tomar imágenes rápidas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso agudo de excitación eléctrica”, dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en SLAC. Es 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”.

Usando esta cámara, el equipo descubrió un nuevo estado intermedio dentro del material. Se crea cuando un material responde a un pulso 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 pasar de uno a otro”, dijo el científico y colaborador de SLAC Xiaozhe Shen. “Pero cuando la transición ocurre 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 está presente durante unas millonésimas de segundo, se estabiliza debido a las imperfecciones del material.

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Para continuar con esta investigación, el equipo está estudiando cómo diseñar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y duradero. Esto les permitiría fabricar dispositivos en los que la conmutación electrónica podría 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 y definen los límites potenciales para las velocidades de conmutación de dichos dispositivos”, dijo el colaborador Shriram Ramanathan, profesor de la Universidad de Purdue. “La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es fundamental para el diseño de futuros modelos de circuitos”.

La investigación también ofrece un nuevo método para sintetizar materiales que no se encuentran en condiciones naturales, lo que permite a los científicos monitorearlos en escalas de tiempo ultrarrápidas y luego ajustar sus propiedades.

“Este método nos brinda una nueva forma de ver los dispositivos en acción y abre una ventana para ver cómo se mueven los átomos”, dijo el autor principal e investigador de SIMES, Aditya Sood. “Es emocionante reunir ideas de campos tradicionalmente privilegiados de la ingeniería eléctrica y la ciencia ultrarrápida. Nuestro enfoque permitirá la creación de dispositivos electrónicos de próxima generación que puedan satisfacer las crecientes necesidades mundiales de computación inteligente con uso intensivo de datos”.

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

SLAC es un laboratorio vibrante de múltiples programas que explora cómo funciona el universo a las escalas más grandes, más pequeñas y más rápidas y crea herramientas poderosas utilizadas por científicos de todo el mundo. Mediante investigaciones que incluyen física de partículas, astrofísica, cosmología, materiales, química, biociencias, energía y computación científica, ayudamos a resolver problemas del mundo real y promover los intereses de la nación.

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SLAC es operado por la Oficina de Ciencias de la Universidad de Stanford 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.

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