Elektroniska kretsar som beräknar och lagrar information innehåller miljontals små strömbrytare som styr flödet av elektrisk ström. En djupare förståelse för hur dessa små växlar fungerar kan hjälpa forskare att tänja på gränserna för modern datoranvändning.

Nu har forskare gjort de första ögonblicksbilderna av atomer som rör sig inuti en av dessa omkopplare när den slås på och av. Bland annat, de upptäckte ett kortlivat tillstånd i switchen som en dag skulle kunna utnyttjas för snabbare och mer energieffektiva datorenheter.

Forskargruppen från Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University, Hewlett Packard Labs, Penn State University och Purdue University beskrev sitt arbete i en artikel publicerad i Vetenskap i dag.

"Denna forskning är ett genombrott inom ultrasnabb teknik och vetenskap, " säger SLAC-forskaren och samarbetspartnern Xijie Wang. "Det är första gången som forskare använde ultrasnabb elektrondiffraktion, som kan upptäcka små atomrörelser i ett material genom att sprida en kraftfull elektronstråle från ett prov, att observera en elektronisk enhet när den fungerar."

Fångar cykeln

För detta experiment, teamet specialdesignade elektroniska miniatyrbrytare gjorda av vanadindioxid, ett prototypiskt kvantmaterial vars förmåga att växla fram och tillbaka mellan isolerande och elektriskt ledande tillstånd nära rumstemperatur skulle kunna utnyttjas som en switch för framtida beräkningar. Materialet har också tillämpningar i hjärninspirerad datoranvändning på grund av dess förmåga att skapa elektroniska pulser som efterliknar de neurala impulser som avfyras i den mänskliga hjärnan.

Forskarna använde elektriska pulser för att växla dessa omkopplare fram och tillbaka mellan de isolerande och ledande tillstånden medan de tog ögonblicksbilder som visade subtila förändringar i arrangemanget av deras atomer över miljarddels sekund. De där ögonblicksbilderna, tagen med SLAC:s ultrasnabba elektrondiffraktionskamera, MeV-UED, sattes ihop för att skapa en molekylär film av atomrörelserna.

"Den här ultrasnabba kameran kan faktiskt titta in i ett material och ta ögonblicksbilder av hur dess atomer rör sig som svar på en skarp puls av elektrisk excitation, " sa samarbetspartner Aaron Lindenberg, en utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC och en professor vid Institutionen för materialvetenskap och teknik vid Stanford University. "På samma gång, den mäter också hur materialets elektroniska egenskaper förändras över tiden."

Med denna kamera, teamet upptäckte en ny, mellantillstånd i materialet. Det skapas när materialet svarar på en elektrisk puls genom att byta från det isolerande till det ledande tillståndet.

"De isolerande och ledande tillstånden har något olika atomarrangemang, och det tar vanligtvis energi att gå från det ena till det andra, " sa SLAC-forskaren och samarbetspartnern Xiaozhe Shen. "Men när övergången sker genom detta mellanliggande tillstånd, bytet kan ske utan några förändringar av atomarrangemanget."

Öppna ett fönster på atomär rörelse

Även om det mellanliggande tillståndet bara existerar i några miljondelar av en sekund, den stabiliseras av defekter i materialet.

För att följa upp denna forskning, teamet undersöker hur man konstruerar dessa defekter i material för att göra detta nya tillstånd mer stabilt och hållbart. Detta kommer att tillåta dem att tillverka enheter där elektronisk omkoppling kan ske utan någon atomrörelse, som skulle fungera snabbare och kräva mindre energi.

"Resultaten visar robustheten hos den elektriska omkopplingen över miljontals cykler och identifierar möjliga gränser för omkopplingshastigheterna för sådana enheter, " sa kollaboratören Shriram Ramanathan, en professor vid Purdue. "Forskningen ger ovärderlig data om mikroskopiska fenomen som uppstår under enhetens drift, vilket är avgörande för att utforma kretsmodeller i framtiden."

Forskningen erbjuder också ett nytt sätt att syntetisera material som inte existerar under naturliga förhållanden, tillåta forskare att observera dem på ultrasnabba tidsskalor och sedan eventuellt justera deras egenskaper.

"Denna metod ger oss ett nytt sätt att se enheter när de fungerar, öppna ett fönster för att se hur atomerna rör sig, " sade huvudförfattaren och SIMES-forskaren Aditya Sood. "Det är spännande att föra samman idéer från de traditionellt distinkta områdena elektroteknik och ultrasnabb vetenskap. Vårt tillvägagångssätt kommer att möjliggöra skapandet av nästa generations elektroniska enheter som kan möta världens växande behov av dataintensiva, intelligent datoranvändning."