Elektronische circuits die informatie berekenen en opslaan, bevatten miljoenen kleine schakelaars die de stroom van elektrische stroom regelen. Een beter begrip van hoe deze kleine schakelaars werken, zou onderzoekers kunnen helpen de grenzen van moderne computers te verleggen.

Nu hebben wetenschappers de eerste snapshots gemaakt van atomen die in een van die schakelaars bewegen terwijl deze aan en uit gaat. Onder andere, ze ontdekten een kortstondige toestand in de switch die op een dag zou kunnen worden misbruikt voor snellere en energiezuinigere computerapparatuur.

Het onderzoeksteam van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford universiteit, Hewlett Packard Labs, Penn State University en Purdue University beschreven hun werk in een paper gepubliceerd in: Wetenschap vandaag.

"Dit onderzoek is een doorbraak in ultrasnelle technologie en wetenschap, ", zegt SLAC-wetenschapper en medewerker Xijie Wang. "Het is de eerste keer dat onderzoekers ultrasnelle elektronendiffractie gebruiken, die kleine atomaire bewegingen in een materiaal kan detecteren door een krachtige bundel elektronen van een monster te verstrooien, om een ​​elektronisch apparaat te observeren terwijl het werkt."

De cyclus vastleggen

Voor dit experiment is het team heeft op maat ontworpen elektronische miniatuurschakelaars gemaakt van vanadiumdioxide, een prototypisch kwantummateriaal waarvan het vermogen om heen en weer te schakelen tussen isolerende en elektrisch geleidende toestanden in de buurt van kamertemperatuur, zou kunnen worden gebruikt als een schakelaar voor toekomstig computergebruik. Het materiaal heeft ook toepassingen in op de hersenen geïnspireerde computers vanwege het vermogen om elektronische pulsen te creëren die de neurale impulsen nabootsen die in het menselijk brein worden afgevuurd.

De onderzoekers gebruikten elektrische pulsen om deze schakelaars heen en weer te schakelen tussen de isolerende en geleidende toestanden terwijl ze snapshots maakten die subtiele veranderingen in de rangschikking van hun atomen lieten zien gedurende miljardsten van een seconde. Die kiekjes, genomen met de ultrasnelle elektronendiffractiecamera van SLAC, MeV-UED, werden aan elkaar geregen om een ​​moleculaire film van de atomaire bewegingen te creëren.

"Deze ultrasnelle camera kan echt in een materiaal kijken en snapshots maken van hoe de atomen bewegen als reactie op een scherpe puls van elektrische excitatie, " zei medewerker Aaron Lindenberg, een onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC en een professor in de afdeling Materials Science and Engineering aan de Stanford University. "Tegelijkertijd, het meet ook hoe de elektronische eigenschappen van dat materiaal in de loop van de tijd veranderen."

Met deze camera, het team ontdekte een nieuwe, tussentoestand in het materiaal. Het ontstaat wanneer het materiaal reageert op een elektrische puls door over te schakelen van de isolerende naar de geleidende toestand.

"De isolerende en geleidende toestanden hebben enigszins verschillende atomaire rangschikkingen, en het kost meestal energie om van de ene naar de andere te gaan, " zei SLAC-wetenschapper en medewerker Xiaozhe Shen. "Maar wanneer de overgang plaatsvindt door deze tussentoestand, de omschakeling kan plaatsvinden zonder enige wijziging in de atomaire opstelling."

Een venster openen op atomaire beweging

Hoewel de tussentoestand slechts een paar miljoenste van een seconde bestaat, het wordt gestabiliseerd door defecten in het materiaal.

Om dit onderzoek op te volgen, het team onderzoekt hoe deze defecten in materialen kunnen worden gemanipuleerd om deze nieuwe staat stabieler en duurzamer te maken. Hierdoor kunnen ze apparaten maken waarin elektronisch schakelen kan plaatsvinden zonder enige atomaire beweging, die sneller zou werken en minder energie zou vergen.

"De resultaten demonstreren de robuustheid van het elektrisch schakelen over miljoenen cycli en identificeren mogelijke limieten voor de schakelsnelheden van dergelijke apparaten, " zei medewerker Shriram Ramanathan, een professor aan Purdue. "Het onderzoek levert onschatbare gegevens op over microscopische verschijnselen die optreden tijdens apparaatoperaties, wat cruciaal is voor het ontwerpen van circuitmodellen in de toekomst."

Het onderzoek biedt ook een nieuwe manier om materialen te synthetiseren die onder natuurlijke omstandigheden niet bestaan, waardoor wetenschappers ze op ultrasnelle tijdschalen kunnen observeren en vervolgens mogelijk hun eigenschappen kunnen afstemmen.

"Deze methode geeft ons een nieuwe manier om apparaten te bekijken terwijl ze werken, een raam openen om te kijken hoe de atomen bewegen, " zei hoofdauteur en SIMES-onderzoeker Aditya Sood. "Het is opwindend om ideeën uit de traditioneel verschillende gebieden van elektrotechniek en ultrasnelle wetenschap samen te brengen. Onze aanpak zal de creatie van elektronische apparaten van de volgende generatie mogelijk maken die kunnen voldoen aan de groeiende wereldwijde behoefte aan data-intensieve, intelligent computergebruik."