Yimei Zhu och Junjie Li vid 3 MeV ultrasnabb elektrondiffraktionsinstrument vid Brookhaven National Laboratorys Accelerator Test Facility. Detta instrument fungerar som en högupplöst stroboskopisk "kamera" för att spåra atomers banor. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Föreställ dig en dator som kan tänka lika snabbt som den mänskliga hjärnan samtidigt som den använder väldigt lite energi. Det är målet för forskare som försöker upptäcka eller utveckla material som kan skicka och bearbeta signaler lika lätt som hjärnans neuroner och synapser. Att identifiera kvantmaterial med en inneboende förmåga att växla mellan två distinkta former (eller fler) kan vara nyckeln till dessa futuristiskt klingande "neuromorfa" datortekniker.
I en artikel som just publicerats i tidskriften Physical Review X, Yimei Zhu, fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, och hans medarbetare beskriver överraskande nya detaljer om vanadindioxid, ett av de mest lovande neuromorfa materialen. Med hjälp av data som samlats in av en unik "stroboskopisk kamera" fångade teamet den dolda banan för atomrörelse när detta material övergår från en isolator till en metall som svar på en ljuspuls. Deras resultat kan hjälpa till att vägleda den rationella designen av höghastighets- och energieffektiva neuromorfa enheter.
"Ett sätt att minska energiförbrukningen i artificiella neuroner och synapser för hjärninspirerad datoranvändning är att utnyttja de uttalade icke-linjära egenskaperna hos kvantmaterial", säger Zhu. "Huvudtanken bakom denna energieffektivitet är att i kvantmaterial kan en liten elektrisk stimulans producera en stor respons som kan vara elektrisk, mekanisk, optisk eller magnetisk genom en förändring av materialtillstånd."
"Vanadiumdioxid är ett av de sällsynta, fantastiska materialen som har dykt upp som en lovande kandidat för neuromimetiska bioinspirerade enheter," sa han. Den uppvisar en isolator-metallövergång nära rumstemperatur där en liten spänning eller ström kan producera en stor förändring i resistivitet med omkoppling som kan efterlikna beteendet hos både neuroner (nervceller) och synapser (förbindelserna mellan dem).
"Det går från helt isolerande - som gummi - till en mycket bra metallledare, med en resistivitetsförändring på 10 000 gånger eller mer", sa Zhu.
Dessa två mycket olika fysiska tillstånd, inneboende i samma material, skulle kunna kodas för kognitiv beräkning.
Visualisera ultrasnabba atomrörelser
För sina experiment utlöste forskarna övergången med extremt korta pulser av fotoner - ljuspartiklar. Sedan fångade de materialets reaktion i atomskala med hjälp av ett instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED) utvecklat vid Brookhaven.
Du kan tänka dig att det här verktyget liknar en vanlig kamera med slutaren öppen i mörka miljöer och avfyrar intermittenta blixtar för att fånga något som liknar en kastad boll i rörelse. Med varje blixt spelar kameran in en bild; serien av bilder tagna vid olika tidpunkter avslöjar bollens bana under flygning.
Denna representation av kristallgittret av vanadindioxid i dess stationära tillstånd visar positionerna för vanadinatomerna i isolatorfasen (solid orange sfärer) och metallfasen (ihåliga röda sfärer). Infälld:En ljuspuls (foton) utlöser fasövergången i två steg från isolator till metall, där vanadinatomernas rörelse i det första steget är linjärt, sedan krökt i det andra steget. Denna krökta rörelse är ett bevis på att en annan kraft (utövad av elektroner som kretsar kring vanadinatomerna) också spelar en roll i övergången. Kredit:Brookhaven National Laboratory
MeV-UED "stroboskopet" fångar dynamiken hos ett rörligt föremål på ett liknande sätt, men i en mycket snabbare tidsskala (kortare än en biljondels sekund) och i en mycket mindre längdskala (mindre än en miljarddels millimeter) ). Den använder högenergielektroner för att avslöja atomernas banor.
"Tidigare statiska mätningar avslöjade endast det initiala och slutliga tillståndet för vanadindioxidisolator-till-metall-övergången, men den detaljerade övergångsprocessen saknades", säger Junjie Li, den första författaren till tidningen. "Våra ultrasnabba mätningar gjorde det möjligt för oss att se hur atomerna rör sig - för att fånga de kortlivade övergående (eller "dolda") tillstånden - för att hjälpa oss förstå dynamiken i övergången."
Enbart bilderna berättar inte hela historien. Efter att ha fångat uppemot 100 000 "skott" använde forskarna sofistikerade tidsupplösta kristallografiska analystekniker som de hade utvecklat för att förfina intensitetsförändringarna för några dussin "elektrondiffraktionstoppar". Det är de signaler som produceras av elektroner som sprider atomerna i vanadindioxidprovet när atomer och deras orbitala elektroner flyttar från isolatortillstånd till metalliskt tillstånd.
"Vårt instrument använder acceleratorteknik för att generera elektroner med en energi på 3 MeV, vilket är 50 gånger högre än mindre laboratoriebaserade ultrasnabb elektronmikroskopi och diffraktionsinstrument," sa Zhu. "Den högre energin gör att vi kan spåra elektroner spridda i bredare vinklar, vilket innebär att vi kan "se" atomernas rörelser på mindre avstånd med bättre precision."
Dynamik i två steg och en krökt bana
Analysen visade att övergången sker i två steg, där det andra steget är längre i varaktighet och långsammare i hastighet än det första. Den visade också att banorna för atomernas rörelser i det andra steget inte var linjära.
"Man skulle kunna tro att banan från position A till B skulle vara en direkt rak linje – det kortaste möjliga avståndet. Istället var det en kurva. Detta var helt oväntat", sa Zhu.
Kurvan var en indikation på att det finns en annan kraft som också spelar roll i övergången.
Tänk tillbaka på de stroboskopiska bilderna av en bolls bana. När du kastar en boll utövar du en kraft. Men en annan kraft, gravitationen, drar också bollen till marken, vilket gör att banan kröker.
Denna animation visar förändringen i positionerna för vanadinatomer när vanadindioxid växlar mellan isolerande och metalliska tillstånd. Denna snabba växling kan utlösas av ett litet stimuli och ändrar materialets elektriska motstånd med 10 000 gånger eller mer - alla lovande egenskaper för energieffektiva neuromorfa applikationer. Kredit:Brookhaven National Laboratory
När det gäller vanadindioxid är ljuspulsen kraften som får övergången att gå och krökningen i atombanor orsakas av att elektronerna kretsar runt vanadinatomerna.
Studien visade också att ett mått relaterat till ljusintensiteten som används för att utlösa atomdynamiken kan förändra atomära banor - liknande hur kraften du utövar på en boll kan påverka dess väg. När kraften är tillräckligt stor kan båda systemen (bollen eller atomerna) övervinna den konkurrerande interaktionen för att uppnå en nästan linjär bana.
För att verifiera och bekräfta sina experimentella fynd och ytterligare förstå atomdynamiken, genomförde teamet också beräkningar av molekylär dynamik och densitetsfunktionella teorier. Dessa modelleringsstudier hjälpte dem att dechiffrera de kumulativa effekterna av krafter för att spåra hur strukturerna förändrades under övergången och gav tidsupplösta ögonblicksbilder av atomernas rörelser.
Uppsatsen beskriver hur kombinationen av teori och experimentella studier gav detaljerad information, inklusive hur vanadin "dimerer" (bundna par vanadinatomer) sträcker sig och roterar över tiden under övergången. Forskningen behandlade också framgångsrikt några långvariga vetenskapliga frågor om vanadindioxid, inklusive förekomsten av en mellanfas under isolator-till-metall-övergången, rollen av fotoexcitationsinducerad termisk uppvärmning och ursprunget till ofullständiga övergångar under fotoexcitation.
Den här studien kastar nytt ljus över forskarnas förståelse av hur fotoinducerad elektronisk och gitterdynamik påverkar just denna fasövergång – och bör också hjälpa till att fortsätta driva på utvecklingen av datorteknik.
När det gäller att göra en dator som efterliknar den mänskliga hjärnan, sa Zhu, "vi har fortfarande en lång väg kvar att gå, men jag tror att vi är på rätt väg." + Utforska vidare
