Stel je een computer voor die net zo snel kan denken als het menselijk brein en maar heel weinig energie verbruikt. Dat is het doel van wetenschappers die materialen willen ontdekken of ontwikkelen die signalen net zo gemakkelijk kunnen verzenden en verwerken als de neuronen en synapsen van de hersenen. Het identificeren van kwantummaterialen met een intrinsiek vermogen om te schakelen tussen twee verschillende vormen (of meer) kan de sleutel zijn tot deze futuristisch klinkende "neuromorfe" computertechnologieën.

In een artikel dat zojuist is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review X, Yimei Zhu, een natuurkundige bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), en zijn medewerkers beschrijven verrassende nieuwe details over vanadiumdioxide, een van de meest veelbelovende neuromorfe materialen. Met behulp van gegevens verzameld door een unieke "stroboscopische camera", legde het team het verborgen traject van atomaire beweging vast terwijl dit materiaal overgaat van een isolator naar een metaal als reactie op een lichtpuls. Hun bevindingen kunnen helpen bij het rationele ontwerp van snelle en energiezuinige neuromorfe apparaten.

"Een manier om het energieverbruik in kunstmatige neuronen en synapsen voor op de hersenen geïnspireerde computers te verminderen, is door gebruik te maken van de uitgesproken niet-lineaire eigenschappen van kwantummaterialen", zei Zhu. "Het belangrijkste idee achter deze energie-efficiëntie is dat in kwantummaterialen een kleine elektrische stimulus een grote respons kan produceren die elektrisch, mechanisch, optisch of magnetisch kan zijn door een verandering van materiaaltoestand."

"Vanadiumdioxide is een van de zeldzame, verbazingwekkende materialen die naar voren is gekomen als een veelbelovende kandidaat voor neuro-mimetische bio-geïnspireerde apparaten," zei hij. Het vertoont een isolator-metaalovergang nabij kamertemperatuur waarin een kleine spanning of stroom een ​​grote verandering in weerstand kan produceren met schakelen dat het gedrag van zowel neuronen (zenuwcellen) als synapsen (de verbindingen daartussen) kan nabootsen.

"Het gaat van volledig isolerend - zoals rubber - tot een zeer goede metalen geleider, met een weerstandsverandering van 10.000 keer of meer," zei Zhu.

Die twee zeer verschillende fysieke toestanden, intrinsiek in hetzelfde materiaal, zouden kunnen worden gecodeerd voor cognitief computergebruik.

Ultrasnelle atoombewegingen visualiseren

Voor hun experimenten hebben de wetenschappers de overgang geactiveerd met extreem korte pulsen van fotonen - lichtdeeltjes. Vervolgens legden ze de atomaire respons van het materiaal vast met behulp van een mega-elektron-volt ultrasnelle elektronendiffractie (MeV-UED) instrument ontwikkeld in Brookhaven.

Je kunt dit gereedschap zien als vergelijkbaar met een conventionele camera waarbij de sluiter in een donkere omgeving open is gelaten en intermitterende flitsen afvuurt om zoiets als een weggegooide bal in beweging te vangen. Bij elke flits neemt de camera een beeld op; de reeks foto's die op verschillende tijdstippen zijn genomen, onthult de baan van de bal tijdens de vlucht.

De MeV-UED "stroboscoop" legt de dynamiek van een bewegend object op een vergelijkbare manier vast, maar op een veel snellere tijdschaal (korter dan een biljoenste van een seconde) en op een veel kleinere lengteschaal (kleiner dan een miljardste van een millimeter ). Het gebruikt hoogenergetische elektronen om de banen van atomen te onthullen.

"Eerdere statische metingen onthulden alleen de begin- en eindtoestand van de overgang van vanadiumdioxide-isolator naar metaal, maar het gedetailleerde overgangsproces ontbrak", zegt Junjie Li, de eerste auteur van het artikel. "Onze ultrasnelle metingen lieten ons zien hoe de atomen bewegen - om de kortstondige voorbijgaande (of 'verborgen') toestanden vast te leggen - om ons te helpen de dynamiek van de overgang te begrijpen."

De foto's alleen vertellen niet het hele verhaal. Na meer dan 100.000 "opnamen" te hebben gemaakt, gebruikten de wetenschappers geavanceerde, in de tijd opgeloste kristallografische analysetechnieken die ze hadden ontwikkeld om de intensiteitsveranderingen van enkele tientallen "elektronendiffractiepieken" te verfijnen. Dat zijn de signalen die worden geproduceerd door elektronen die van de atomen van het vanadiumdioxidemonster worden verstrooid terwijl atomen en hun orbitale elektronen van de isolatortoestand naar de metaaltoestand gaan.

"Ons instrument maakt gebruik van versnellertechnologie om elektronen te genereren met een energie van 3 MeV, wat 50 keer hoger is dan kleinere ultrasnelle elektronenmicroscopie- en diffractie-instrumenten op laboratoriumbasis," zei Zhu. "De hogere energie stelt ons in staat om elektronen te volgen die onder grotere hoeken zijn verstrooid, wat zich vertaalt in het kunnen 'zien' van de bewegingen van atomen op kleinere afstanden met een betere precisie."

Tweetraps dynamiek en een gebogen pad

Uit de analyse bleek dat de overgang in twee fasen plaatsvindt, waarbij de tweede fase langer duurt en langzamer is dan de eerste. Het toonde ook aan dat de banen van de bewegingen van de atomen in de tweede fase niet lineair waren.

"Je zou denken dat het traject van positie A naar B een directe rechte lijn zou zijn - de kortst mogelijke afstand. In plaats daarvan was het een bocht. Dit was volkomen onverwacht", zei Zhu.

De curve was een indicatie dat er een andere kracht is die ook een rol speelt bij de overgang.

Denk terug aan de stroboscopische beelden van de baan van een bal. Als je een bal gooit, oefen je een kracht uit. Maar een andere kracht, de zwaartekracht, trekt de bal ook naar de grond, waardoor de baan kromt.

In het geval van vanadiumdioxide is de lichtpuls de kracht die de overgang op gang brengt, en de kromming in atomaire banen wordt veroorzaakt door de elektronen die rond de vanadiumatomen draaien.

De studie toonde ook aan dat een meting die verband houdt met de intensiteit van het licht dat wordt gebruikt om de atomaire dynamica te activeren, de atomaire banen kan veranderen - vergelijkbaar met de manier waarop de kracht die je op een bal uitoefent, zijn pad kan beïnvloeden. Wanneer de kracht groot genoeg is, kan elk systeem (de bal of de atomen) de concurrerende interactie overwinnen om een ​​bijna lineair pad te bereiken.

Om hun experimentele bevindingen te verifiëren en te bevestigen en de atomaire dynamica verder te begrijpen, voerde het team ook berekeningen uit op het gebied van moleculaire dynamica en dichtheidsfunctionaaltheorie. Deze modelleringsstudies hielpen hen de cumulatieve effecten van krachten te ontcijferen om bij te houden hoe de structuren tijdens de overgang veranderden en leverden in de tijd opgeloste snapshots van de atoombewegingen op.

Het artikel beschrijft hoe de combinatie van theorie en experimentele studies gedetailleerde informatie opleverde, inclusief hoe vanadium "dimeren" (gebonden paren vanadiumatomen) zich uitstrekken en roteren in de loop van de tijd tijdens de overgang. Het onderzoek heeft ook met succes een aantal al lang bestaande wetenschappelijke vragen over vanadiumdioxide aangepakt, waaronder het bestaan ​​van een tussenfase tijdens de overgang van isolator naar metaal, de rol van door foto-excitatie geïnduceerde thermische verwarming en de oorsprong van onvolledige overgangen onder foto-excitatie.

Deze studie werpt nieuw licht op het inzicht van wetenschappers in hoe foto-geïnduceerde elektronische en roosterdynamiek deze specifieke faseovergang beïnvloeden - en zou ook moeten helpen om de evolutie van computertechnologie voort te zetten.

Als het gaat om het maken van een computer die het menselijk brein nabootst, zei Zhu:"We hebben nog een lange weg te gaan, maar ik denk dat we op de goede weg zijn." + Verder verkennen

Van identiteit wisselen:revolutionair isolatorachtig materiaal geleidt ook elektriciteit