Imagine una computadora que pueda pensar tan rápido como el cerebro humano usando muy poca energía. Ese es el objetivo de los científicos que buscan descubrir o desarrollar materiales que puedan enviar y procesar señales tan fácilmente como las neuronas y las sinapsis del cerebro. La identificación de materiales cuánticos con una capacidad intrínseca para cambiar entre dos formas distintas (o más) puede ser la clave para estas tecnologías informáticas "neuromórficas" que suenan futuristas.

En un artículo recién publicado en la revista Physical Review X, Yimei Zhu, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), y sus colaboradores describen detalles nuevos y sorprendentes sobre el dióxido de vanadio, uno de los materiales neuromórficos más prometedores. Usando datos recopilados por una "cámara estroboscópica" única, el equipo capturó la trayectoria oculta del movimiento atómico a medida que este material pasa de un aislante a un metal en respuesta a un pulso de luz. Sus hallazgos podrían ayudar a guiar el diseño racional de dispositivos neuromórficos de alta velocidad y eficiencia energética.

"Una forma de reducir el consumo de energía en las neuronas artificiales y las sinapsis para la computación inspirada en el cerebro es explotar las pronunciadas propiedades no lineales de los materiales cuánticos", dijo Zhu. "La idea principal detrás de esta eficiencia energética es que en los materiales cuánticos, un pequeño estímulo eléctrico puede producir una gran respuesta que puede ser eléctrica, mecánica, óptica o magnética a través de un cambio de estado material".

"El dióxido de vanadio es uno de los materiales raros y sorprendentes que ha surgido como un candidato prometedor para dispositivos neuromiméticos bioinspirados", dijo. Exhibe una transición aislante-metal cerca de la temperatura ambiente en la que un pequeño voltaje o corriente puede producir un gran cambio en la resistividad con una conmutación que puede imitar el comportamiento tanto de las neuronas (células nerviosas) como de las sinapsis (las conexiones entre ellas).

"Pasa de ser completamente aislante, como el caucho, a un muy buen conductor de metal, con un cambio de resistividad de 10 000 veces o más", dijo Zhu.

Esos dos estados físicos muy diferentes, intrínsecos en el mismo material, podrían codificarse para la computación cognitiva.

Visualización de movimientos atómicos ultrarrápidos

Para sus experimentos, los científicos activaron la transición con pulsos extremadamente cortos de fotones, partículas de luz. Luego, capturaron la respuesta a escala atómica del material utilizando un instrumento de difracción de electrones ultrarrápidos de megaelectronvoltios (MeV-UED) desarrollado en Brookhaven.

Puede pensar en esta herramienta como similar a una cámara convencional con el obturador abierto en un entorno oscuro, disparando flashes intermitentes para atrapar algo como una pelota lanzada en movimiento. Con cada flash, la cámara graba una imagen; la serie de imágenes tomadas en diferentes momentos revela la trayectoria de la pelota en vuelo.

El "estroboscopio" MeV-UED captura la dinámica de un objeto en movimiento de manera similar, pero a una escala de tiempo mucho más rápida (menos de una billonésima de segundo) y a una escala de longitud mucho más pequeña (menos de una milmillonésima de milímetro). ). Utiliza electrones de alta energía para revelar las trayectorias de los átomos.

"Las mediciones estáticas anteriores revelaron solo el estado inicial y final de la transición del aislador de dióxido de vanadio al metal, pero faltaba el proceso de transición detallado", dijo Junjie Li, el primer autor del artículo. "Nuestras mediciones ultrarrápidas nos permitieron ver cómo se mueven los átomos, para capturar los estados transitorios (u 'ocultos') de corta duración, para ayudarnos a comprender la dinámica de la transición".

Las imágenes por sí solas no cuentan toda la historia. Después de capturar más de 100.000 "disparos", los científicos utilizaron técnicas sofisticadas de análisis cristalográfico de resolución temporal que habían desarrollado para refinar los cambios de intensidad de unas pocas docenas de "picos de difracción de electrones". Esas son las señales producidas por los electrones que se dispersan de los átomos de la muestra de dióxido de vanadio a medida que los átomos y sus electrones orbitales pasan del estado aislante al estado metálico.

"Nuestro instrumento utiliza tecnología de aceleración para generar electrones con una energía de 3 MeV, que es 50 veces mayor que los instrumentos de difracción y microscopía electrónica ultrarrápida de laboratorio más pequeños", dijo Zhu. "La mayor energía nos permite rastrear electrones dispersos en ángulos más amplios, lo que se traduce en poder 'ver' los movimientos de los átomos a distancias más pequeñas con mayor precisión".

Dinámica de dos etapas y un camino curvo

El análisis reveló que la transición tiene lugar en dos etapas, siendo la segunda etapa de mayor duración y menor velocidad que la primera. También mostró que las trayectorias de los movimientos de los átomos en la segunda etapa no eran lineales.

"Uno pensaría que la trayectoria de la posición A a la B sería una línea recta directa, la distancia más corta posible. En cambio, era una curva. Esto fue completamente inesperado", dijo Zhu.

La curva fue una indicación de que hay otra fuerza que también juega un papel en la transición.

Piense en las imágenes estroboscópicas de la trayectoria de una pelota. Cuando lanzas una pelota, ejerces una fuerza. Pero otra fuerza, la gravedad, también empuja la pelota hacia el suelo, haciendo que la trayectoria se curve.

En el caso del dióxido de vanadio, el pulso de luz es la fuerza que inicia la transición, y la curvatura en las trayectorias atómicas es causada por los electrones que orbitan alrededor de los átomos de vanadio.

El estudio también mostró que una medida relacionada con la intensidad de la luz utilizada para desencadenar la dinámica atómica puede alterar las trayectorias atómicas, de manera similar a la forma en que la fuerza que ejerces sobre una pelota puede afectar su trayectoria. Cuando la fuerza es lo suficientemente grande, cualquier sistema (la bola o los átomos) puede superar la interacción competidora para lograr una trayectoria casi lineal.

Para verificar y confirmar sus hallazgos experimentales y comprender mejor la dinámica atómica, el equipo también llevó a cabo cálculos de dinámica molecular y teoría funcional de la densidad. Estos estudios de modelado les ayudaron a descifrar los efectos acumulativos de las fuerzas para rastrear cómo cambiaron las estructuras durante la transición y proporcionaron instantáneas resueltas en el tiempo de los movimientos atómicos.

El documento describe cómo la combinación de teoría y estudios experimentales proporcionó información detallada, incluida la forma en que los "dímeros" de vanadio (pares unidos de átomos de vanadio) se estiran y giran con el tiempo durante la transición. La investigación también abordó con éxito algunas preguntas científicas de larga data sobre el dióxido de vanadio, incluida la existencia de una fase intermedia durante la transición del aislante al metal, el papel del calentamiento térmico inducido por la fotoexcitación y el origen de las transiciones incompletas bajo la fotoexcitación.

Este estudio arroja nueva luz sobre la comprensión de los científicos sobre cómo la dinámica reticular y electrónica fotoinducida afecta esta transición de fase en particular, y también debería ayudar a continuar impulsando la evolución de la tecnología informática.

Cuando se trata de hacer una computadora que imite el cerebro humano, dijo Zhu, "todavía tenemos un largo camino por recorrer, pero creo que estamos en el camino correcto". + Explora más

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