Wetenschappers werpen nieuw licht op de toekomst van nano-elektronische apparaten

Kunstmatige intelligentie (AI) heeft het potentieel om technologieën zo divers als zonnepanelen, in-body medische sensoren en zelfrijdende voertuigen te transformeren. Maar deze toepassingen verleggen de huidige computers nu al tot het uiterste als het gaat om snelheid, geheugengrootte en energieverbruik.

Gelukkig werken wetenschappers op het gebied van AI, informatica en nanowetenschappen eraan om deze uitdagingen te overwinnen, en gebruiken ze hun hersenen als hun modellen.

Dat komt omdat de circuits, of neuronen, in het menselijk brein een belangrijk voordeel hebben ten opzichte van de huidige computercircuits: ze kunnen informatie opslaan en op dezelfde plek verwerken. Hierdoor zijn ze uitzonderlijk snel en energiezuinig. Dat is de reden waarom wetenschappers nu onderzoeken hoe ze materialen kunnen gebruiken die worden gemeten in miljardsten van een meter – ‘nanomaterialen’ – om circuits te construeren die werken zoals onze neuronen. Om dit met succes te kunnen doen, moeten wetenschappers echter precies begrijpen wat er op atomair niveau in deze nanomateriaalcircuits gebeurt.

Onlangs heeft een team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een nieuwe manier ontwikkeld om precies dat te evalueren. Concreet gebruikten ze de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, om de veranderingen te onderzoeken die optreden in de structuur van een specifiek nanomateriaal wanneer het verandert van het geleiden van een elektrische stroom naar niet. Dit bootst het schakelen tussen “aan” en “uit” toestanden in een neuraal circuit na.

Het werk is gepubliceerd in het journaal Geavanceerde materialen.

In deze materialen wordt de geleidende toestand of fase bepaald door onvolkomenheden in het materiaal (of “puntdefecten”) op atomair niveau. Door het nanomateriaal onder druk te zetten, kunnen onderzoekers de concentratie veranderen en de positie van deze defecten veranderen. Dit verandert het pad van de elektronenstroom. Deze defecten zijn echter voortdurend in beweging, waardoor de geleidende en niet-geleidende gebieden van het materiaal veranderen. Tot nu toe was deze motie uiterst moeilijk te bestuderen.

“Er is veel onderzoek gedaan naar het voorkomen en de aard van defecten in nanomaterialen”, legt Dillon Fong, materiaalwetenschapper bij Argonne, uit. ‘Maar we wisten heel weinig over de dynamiek van deze defecten wanneer een materiaal van fase verandert. We wilden laten zien dat je röntgenstralen kunt gebruiken om overgangen tussen geleidende en niet-geleidende fasen in nanomaterialen te onderzoeken onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die waaronder deze materialen zal gebruikt worden.” Het team liet zien hoe het APS dit mogelijk kan maken.

Voor het experiment kozen de onderzoekers een materiaal, SrCoO_X, dat gemakkelijk schakelt tussen de geleidende en niet-geleidende, isolerende fasen. Om de fluctuatie tussen de geleidende fase en de isolerende fase op nanoschaal te zien, gebruikten ze een techniek genaamd X-ray photon correlatie spectroscopie (XPCS). Dit wordt mogelijk gemaakt door de zeer coherente röntgenbundels van het APS. XPCS kan op atomaire schaal direct meten hoe snel het materiaal tussen verschillende fasen fluctueert, zelfs als deze fluctuaties nauwelijks waarneembaar zijn.

“De XPCS-meting zou niet mogelijk zijn zonder de coherente röntgenbundel van de APS”, zegt Qingteng Zhang, een assistent-fysicus bij de APS die de röntgenmetingen leidde.

“Bovendien is het belangrijk dat we de meting uitvoeren onder dezelfde omstandigheden waaronder het materiaal zal functioneren. Hierdoor kunnen we leren hoe het materiaal zich zal gedragen terwijl het zijn beoogde functie vervult. Dergelijke omgevingscontrole vereist echter meestal dat het monster wordt afgedicht in een kamer of een koepel. Dit is waar de zeer doordringende röntgenstraal van de APS uiterst nuttig is. Want hoewel het kamervenster of de koepelomhulling ondoorzichtig is voor zichtbaar licht, kunnen we beide volledig transparant maken voor de röntgenstralen .”

De APS-upgrade – die nu aan de gang is – zal de helderheid van de APS-röntgenstralen tot wel 500 keer verhogen na voltooiing in 2024. Dit zal de meetsnelheid en de kwaliteit van coherente röntgentechnieken, waaronder XPCS, aanzienlijk verhogen. . Dit zou ongekende wetenschappelijke kansen kunnen creëren voor onderzoekers over de hele wereld.

Dat is een opwindend vooruitzicht voor Panchapakesan Ganesh, een onderzoeker bij het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van DOE. Hij leidde het theoretische werk in het onderzoek samen met zijn teamleden Vitalii Starchenko, ORNL en Guoxiang Hu, nu assistent-professor bij Georgia Tech.

“Gegevens van hoge kwaliteit uit dit soort experimenten zijn van cruciaal belang voor ons vermogen om theorieën te ontwikkelen en modellen te bouwen die kunnen vastleggen wat er gebeurt in nano-elektronische materialen wanneer ze van geleidende naar niet-geleidende fasen gaan”, aldus Ganesh. ‘We moeten bijvoorbeeld leren hoe energie in deze systemen verdwijnt als we nanoapparaten gaan ontwikkelen die de energie-efficiëntie van onze hersenen benaderen.

“Geen enkele computationele benadering kan dit soort problemen op zichzelf oplossen. We hebben de beste input nodig van zowel de experimentele als de computationele wetenschappelijke kant om dit begrip op nanoschaal te bevorderen. Onze geïntegreerde aanpak is daar een perfect voorbeeld van, en we denken dat dit een stimulans zal zijn meer onderzoek op dit opwindende nieuwe gebied.”

Naast Fong en Zhang zijn andere Argonne-auteurs onder meer EM Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, AR Sandy, GE Sterbinsky, G. Wan, IC Almazan en H. Liu.