Un equipo de investigadores creó un nuevo método para capturar 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 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 ampliar las fronteras de la informática moderna.
Ahora los científicos han hecho las primeras instantáneas de 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 ser aprovechado para dispositivos informáticos más rápidos y con mayor eficiencia energética.
El equipo de investigación del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía, Universidad Stanford, Laboratorios Hewlett Packard, Penn State University y Purdue University describieron su trabajo en un artículo publicado en Ciencias hoy dia.
"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 utilizan la difracción de electrones ultrarrápida, que puede detectar pequeños movimientos atómicos en un material al dispersar un poderoso haz de electrones de una muestra, para observar un dispositivo electrónico mientras funciona ".
Capturando el ciclo
Para este experimento, el equipo de interruptores electrónicos en miniatura diseñados a medida hechos de dióxido de vanadio, un material cuántico prototípico cuya capacidad para alternar entre estados aislantes y conductores de electricidad cerca de la temperatura ambiente podría aprovecharse como un interruptor para la computación futura. El material también tiene aplicaciones en la computación inspirada en el cerebro debido a su capacidad para crear pulsos electrónicos que imitan los impulsos neuronales disparados en el cerebro humano.
Los investigadores utilizaron pulsos eléctricos para alternar estos interruptores entre los estados aislante y conductor mientras tomaban instantáneas que mostraban cambios sutiles en la disposición de sus átomos en mil millonésimas de segundo. Esas instantáneas tomada con la cámara de difracción de electrones ultrarrápida de SLAC, MeV-UED, se unieron para crear una película molecular de los movimientos atómicos.
"Esta cámara ultrarrápida puede mirar dentro de un material y tomar instantáneas de cómo se mueven sus átomos en respuesta a un pulso agudo de excitación eléctrica, "dijo el colaborador Aaron Lindenberg, investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES) en SLAC y profesor del 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 ".
Con esta camara, el equipo descubrió una nueva, estado intermedio dentro del material. Se crea cuando el material responde a un pulso eléctrico cambiando del estado aislante al conductor.
"Los estados aislante y conductor tienen arreglos atómicos ligeramente diferentes, y normalmente se necesita energía para pasar de uno a otro, ", dijo el científico y colaborador de SLAC Xiaozhe Shen." Pero cuando la transición tiene lugar a través de este estado intermedio, el cambio puede tener lugar sin ningún cambio en la disposición atómica ".
El equipo usó pulsos eléctricos, se muestra aquí en azul, para encender y apagar sus interruptores personalizados varias veces. Programaron estos pulsos eléctricos para que llegaran justo antes de los pulsos de electrones producidos por la fuente de difracción de electrones ultrarrápida de 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
Abriendo una ventana sobre el movimiento atómico
Aunque el estado intermedio existe solo por unas pocas millonésimas de segundo, está estabilizado por defectos en el material.
Para dar seguimiento a esta investigación, el equipo está investigando cómo modificar estos defectos en los materiales para hacer que este nuevo estado sea más estable y duradero. Esto les permitirá fabricar dispositivos en los que la conmutación electrónica puede ocurrir sin ningún movimiento atómico, que funcionaría más rápido y requeriría menos energía.
"Los resultados demuestran la solidez de la conmutación eléctrica durante millones de ciclos e identifican posibles límites a las velocidades de conmutación de dichos dispositivos, "dijo el colaborador Shriram Ramanathan, profesor en Purdue. "La investigación proporciona datos invaluables sobre los fenómenos microscópicos que ocurren durante las operaciones del dispositivo, lo cual es crucial para diseñar modelos de circuitos en el futuro ".
La investigación también ofrece una nueva forma de sintetizar materiales que no existen en condiciones naturales, permitiendo a los científicos observarlos en escalas de tiempo ultrarrápidas y luego potencialmente ajustar sus propiedades.
"Este método nos brinda una nueva forma de ver los dispositivos mientras funcionan, abrir una ventana para ver cómo se mueven los átomos, ", dijo el autor principal e investigador de SIMES, Aditya Sood." Es emocionante reunir ideas de los campos tradicionalmente distintos 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 datos intensivos, computación inteligente ".
