La inteligencia artificial (IA) tiene el potencial de transformar tecnologías tan diversas como los paneles solares, los sensores médicos incorporados en el cuerpo y los vehículos autónomos. Pero estas aplicaciones ya están llevando a los ordenadores actuales al límite en cuanto a velocidad, tamaño de memoria y uso de energía.
Afortunadamente, los científicos en los campos de la IA, la informática y la nanociencia están trabajando para superar estos desafíos y están utilizando sus cerebros como modelos.
Esto se debe a que los circuitos, o neuronas, del cerebro humano tienen una ventaja clave sobre los circuitos informáticos actuales:pueden almacenar información y procesarla en el mismo lugar. Esto los hace excepcionalmente rápidos y energéticamente eficientes. Es por eso que los científicos ahora están explorando cómo utilizar materiales medidos en milmillonésimas de metro (“nanomateriales”) para construir circuitos que funcionen como nuestras neuronas. Sin embargo, para hacerlo con éxito, los científicos deben comprender con precisión qué sucede dentro de estos circuitos de nanomateriales a nivel atómico.
Recientemente, un equipo de investigadores, incluidos científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), fue pionero en una forma novedosa de evaluar exactamente eso. Específicamente, utilizaron Advanced Photon Source (APS), una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE, para examinar los cambios que ocurren en la estructura de un nanomaterial específico a medida que pasa de conducir una corriente eléctrica a no conducir. Esto imita el cambio entre los estados "encendido" y "apagado" en un circuito neuronal.
El trabajo está publicado en la revista Advanced Materials .
En estos materiales, el estado o fase conductora está controlado por imperfecciones en el material (o "defectos puntuales") a nivel atómico. Al ejercer presión sobre el nanomaterial, los investigadores pueden alterar la concentración y cambiar la posición de estos defectos. Esto cambia la vía del flujo de electrones. Sin embargo, estos defectos se mueven constantemente, lo que cambia las regiones conductoras y no conductoras del material. Hasta ahora, esta moción ha sido extremadamente difícil de estudiar.
"Se han realizado muchas investigaciones sobre la aparición y la naturaleza de los defectos en los nanomateriales", explicó Dillon Fong, científico de materiales de Argonne. "Pero sabíamos muy poco sobre la dinámica de estos defectos cuando un material cambia de fase. Queríamos demostrar que se pueden utilizar rayos X para examinar las transiciones entre las fases conductoras y no conductoras en nanomateriales en condiciones similares a aquellas en las que se encuentran estos materiales. se utilizará." El equipo demostró cómo la APS puede ayudar a que esto sea posible.
Para el experimento, los investigadores eligieron un material, SrCoOx , que cambia fácilmente entre las fases aislantes conductoras y no conductoras. Para ver la fluctuación entre la fase conductora y la fase aislante a nanoescala, utilizaron una técnica llamada espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS). Esto es posible gracias a los haces de rayos X altamente coherentes del APS. XPCS puede medir directamente qué tan rápido el material fluctúa entre diferentes fases a escala atómica, incluso cuando estas fluctuaciones son apenas detectables.
"La medición XPCS no sería posible sin el haz de rayos X coherente del APS", afirmó Qingteng Zhang, físico asistente del APS que dirigió las mediciones de rayos X.
"Además, es importante que tomemos la medición en las mismas condiciones en las que funcionará el material. Esto nos permite saber cómo se comportará el material mientras realiza su función prevista. Sin embargo, dicho control ambiental generalmente requiere sellar la muestra en una cámara o una cúpula, aquí es donde el haz de rayos X altamente penetrante del APS es extremadamente útil porque, si bien la ventana de la cámara o la carcasa de la cúpula son opacas a la luz visible, podemos hacer que cualquiera de ellas sea completamente transparente a los rayos X. ."
La actualización de APS, que ya está en marcha, aumentará el brillo de los rayos X de APS hasta 500 veces una vez finalizada en 2024. Esto aumentará significativamente la velocidad de medición, así como la calidad de las técnicas de rayos X coherentes, incluido XPCS. . Esto podría crear oportunidades científicas sin precedentes para investigadores de todo el mundo.
Esa es una perspectiva emocionante para Panchapakesan Ganesh, investigador del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE. Dirigió el trabajo teórico del estudio junto con los miembros de su equipo Vitalii Starchenko, ORNL y Guoxiang Hu, ahora profesor asistente en Georgia Tech.
"Los datos de alta calidad de experimentos como estos son fundamentales para nuestra capacidad de desarrollar teorías y construir modelos que puedan capturar lo que sucede en los materiales nanoelectrónicos cuando pasan de fases conductoras a no conductoras", afirmó Ganesh. "Por ejemplo, necesitamos aprender cómo se disipa la energía en estos sistemas si vamos a desarrollar nanodispositivos que se acerquen a la eficiencia energética de nuestro cerebro.
"Ningún enfoque computacional puede resolver este tipo de problema por sí solo. Necesitamos los mejores aportes tanto del lado experimental como de la ciencia computacional para avanzar en esta comprensión a nanoescala. Nuestro enfoque integrado es un ejemplo perfecto de eso, y creemos que estimulará más investigación en este nuevo y apasionante campo."
Además de Fong y Zhang, otros autores de Argonne incluyen a E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan y H. Liu.
Más información: Qingteng Zhang et al, Fluctuaciones de defectos intermitentes en heteroestructuras de óxido, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202305383
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
