Adaptieve ferro-elektrische materialen zijn veelbelovend voor energiezuinige supercomputing

Onderzoekers hebben een adaptieve respons onthuld met een ferro-elektrisch apparaat, dat reageert op lichtpulsen op een manier die lijkt op de plasticiteit van neurale netwerken. Dit gedrag zou toepassing kunnen vinden in energiezuinige micro-elektronica.

“De huidige supercomputers en datacentra vereisen vele megawatt aan stroom”, zegt Haidan Wen, natuurkundige bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). “Eén uitdaging is het vinden van materialen voor energiezuinigere micro-elektronica. Een veelbelovende kandidaat is een ferro-elektrisch materiaal dat kan worden gebruikt voor kunstmatige neurale netwerken als onderdeel van energie-efficiënte micro-elektronica.”

Ferro-elektrische materialen zijn te vinden in verschillende soorten informatieverwerkende apparaten, zoals computergeheugen, transistors, sensoren en actuatoren. Onderzoekers uit Argonne rapporteren verrassend adaptief gedrag in een ferro-elektrisch materiaal dat stap voor stap naar een gewenst doel kan evolueren, afhankelijk van het aantal fotonen van lichtpulsen die het materiaal raken. Samen met Argonne-onderzoekers werkten wetenschappers van Rice University, Pennsylvania State University en het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.

Het papier is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

Het materiaal van dit team is beladen met onderling verbonden eilanden of domeinen die net zo verschillend zijn als olie in water. Deze domeinen zijn nanometers groot – miljardsten van een meter – en kunnen zichzelf herschikken als reactie op lichtpulsen. Dit adaptieve gedrag zou kunnen worden gebruikt bij de energie-efficiënte verplaatsing van informatie in de micro-elektronica.

Het ferro-elektrische monster van het team is gestructureerd als een sandwich van afwisselende lagen lood en strontiumtitanaat. Deze zevenlaagse sandwich, bereid door de medewerkers van Rice University, is duizend keer dunner dan een stuk papier. Eerder had het team een ​​enkele, intense lichtpuls op een monster laten schijnen en uniforme, geordende structuren op nanoschaal gecreëerd.

“Deze keer raakten we het monster met veel zwakke lichtpulsen, die elk een biljardste van een seconde duren”, zei Wen. “Als resultaat werd er een familie van domeinstructuren gecreëerd en in beeld gebracht, in plaats van één enkele structuur, afhankelijk van de optische dosering.”

Om de reacties op nanoschaal te visualiseren, deed het team een ​​beroep op de Nanoprobe (bundellijn 26-ID) van het Center for Nanoscale Materials en de Advanced Photon Source (APS). Beide zijn DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten in Argonne. Met de Nanoprobe scande een röntgenstraal met een diameter van tientallen nanometers het monster terwijl het werd blootgesteld aan een spervuur ​​van ultrasnelle lichtpulsen.

De resulterende beelden lieten zien dat genetwerkte nanodomeinen werden gecreëerd, gewist en opnieuw geconfigureerd als gevolg van de lichtpulsen. De gebieden en grenzen van deze domeinen evolueerden en herschikten met een lengte van 10 nanometer – ongeveer 10.000 keer kleiner dan een mensenhaar – tot 10 micrometer, ongeveer de grootte van een wolkendruppel. Het eindproduct was afhankelijk van het aantal lichtpulsen dat werd gebruikt om het monster te stimuleren.

“Door een ultrasnelle laser aan de Nanoprobe-bundellijn te koppelen, kunnen we veranderingen in de genetwerkte nanodomeinen initiëren en controleren door middel van lichtpulsen zonder dat daar veel energie voor nodig is”, zegt Martin Holt, wetenschapper en groepsleider op het gebied van röntgen- en elektronenmicroscopie.

Het monster begint met een spinnenwebachtige opstelling van de nanodomeinen, en als gevolg van de verstoring die door de lichtpulsen wordt veroorzaakt, valt het web uiteen en vormt het geheel nieuwe configuraties die in dienst staan ​​van een bepaald gewenst doel, analoog aan een adaptief netwerk.

“We hebben geheel nieuwe arrangementen van deze nanodomeinen ontdekt”, zegt Stephan Hruszkewycz, natuurkundige en groepsleider uit Argonne. “De deur staat nu wijd open voor nog veel meer ontdekkingen. In de toekomst zullen we verschillende regimes van lichtstimulatie kunnen testen en nog meer onbekende nanodomeinen en netwerken kunnen observeren.”

Het vermogen om veranderingen op nanoschaal in de loop van de tijd te visualiseren zal aanzienlijk worden verbeterd met de recente upgrade van de APS, die maar liefst 500 keer helderdere röntgenstralen belooft.

Met deze baanbrekende ontdekking van tijdsafhankelijke veranderingen in genetwerkte nanodomeinen zijn ontwikkelaars op weg naar het bouwen van adaptieve netwerken voor informatieopslag en -verwerking. Deze vooruitgang belooft energiezuinigere computersystemen te creëren.

Naast Wen, Holt en Hruszkewycz omvatten de auteurs van de studie ook Marc Zajac, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew Cherukara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane Martin en Long- Qing Chen.