Artificiell intelligens (AI) har potentialen att omvandla så olika tekniker som solpaneler, medicinska sensorer i kroppen och självkörande fordon. Men dessa applikationer pressar redan dagens datorer till sina gränser när det gäller hastighet, minnesstorlek och energianvändning.
Lyckligtvis arbetar forskare inom områdena AI, datorer och nanovetenskap för att övervinna dessa utmaningar, och de använder sina hjärnor som sina modeller.
Det beror på att kretsarna, eller neuronerna, i den mänskliga hjärnan har en viktig fördel jämfört med dagens datorkretsar:de kan lagra information och bearbeta den på samma plats. Detta gör dem exceptionellt snabba och energieffektiva. Det är därför forskare nu undersöker hur man använder material mätt i miljarddels meter – "nanomaterial" – för att konstruera kretsar som fungerar som våra nervceller. För att göra det framgångsrikt måste dock forskare förstå exakt vad som händer inom dessa nanomaterialkretsar på atomnivå.
Nyligen var ett team av forskare inklusive forskare från U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory banbrytande för ett nytt sätt att utvärdera exakt det. Specifikt använde de Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-användaranläggning, för att undersöka de förändringar som sker i strukturen hos ett specifikt nanomaterial när det ändras från att leda en elektrisk ström till att inte leda. Detta efterliknar växlingen mellan "på" och "av" tillstånd i en neural krets.
Verket publiceras i tidskriften Advanced Materials .
I dessa material styrs det ledande tillståndet, eller fasen, av ofullkomligheter i materialet (eller "punktdefekter") på atomnivå. Genom att belasta nanomaterialet kan forskare ändra koncentrationen och ändra placeringen av dessa defekter. Detta förändrar elektronflödets väg. Dessa defekter rör sig dock hela tiden, vilket förändrar materialets ledande och icke-ledande regioner. Fram till nu har denna motion varit extremt svår att studera.
"Det har gjorts mycket forskning om förekomsten och naturen av defekter i nanomaterial," förklarade Dillon Fong, en materialforskare vid Argonne. "Men vi visste väldigt lite om dynamiken i dessa defekter när ett material ändrar fas. Vi ville visa att man kan använda röntgenstrålar för att undersöka övergångar mellan ledande och icke-ledande faser i nanomaterial under förhållanden som liknar dem under vilka dessa material kommer att användas." Teamet visade hur APS kan hjälpa till att göra detta möjligt.
För experimentet valde forskarna ett material, SrCoOx , som enkelt växlar mellan ledande och icke-ledande, isolerande faser. För att se fluktuationen mellan den ledande fasen och den isolerande fasen på nanoskala använde de en teknik som kallas röntgenfotonkorrelationsspektroskopi (XPCS). Detta möjliggörs av de mycket koherenta röntgenstrålarna från APS. XPCS kan direkt mäta hur snabbt materialet fluktuerar mellan olika faser på atomär skala, även när dessa fluktuationer knappt går att upptäcka.
"XPCS-mätningen skulle inte vara möjlig utan den koherenta röntgenstrålen från APS", säger Qingteng Zhang, en assisterande fysiker vid APS som ledde röntgenmätningarna.
"Dessutom är det viktigt att vi gör mätningen under samma förhållanden som materialet kommer att verka under. Detta gör att vi kan lära oss hur materialet kommer att bete sig samtidigt som det utför sin avsedda funktion. En sådan miljökontroll kräver vanligtvis att provet försluts i en kammare eller en kupol Det är här den mycket penetrerande röntgenstrålen från APS är extremt hjälpsam, för medan kammarfönstret eller kupolen är ogenomskinligt för synligt ljus, kan vi göra endera helt genomskinlig för röntgenstrålningen. ."
APS-uppgraderingen – som nu pågår – kommer att öka APS-röntgenstrålningens ljusstyrka med upp till 500 gånger när den är klar 2024. Detta kommer att avsevärt öka mäthastigheten såväl som kvaliteten på koherenta röntgentekniker, inklusive XPCS . Detta kan skapa oöverträffade vetenskapliga möjligheter för forskare runt om i världen.
Det är ett spännande perspektiv för Panchapakesan Ganesh, en forskare vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Han ledde det teoretiska arbetet i studien tillsammans med sina teammedlemmar Vitalii Starchenko, ORNL, och Guoxiang Hu, nu biträdande professor vid Georgia Tech.
"Högkvalitativa data från experiment som dessa är avgörande för vår förmåga att utveckla teorier och bygga modeller som kan fånga vad som händer i nanoelektroniska material när de går från ledande till icke-ledande faser," sa Ganesh. "Vi måste till exempel lära oss hur energi försvinner i dessa system om vi ska utveckla nanoenheter som närmar oss energieffektiviteten i våra hjärnor.
"Ingen enskild beräkningsmetod kan lösa den här typen av problem på egen hand. Vi behöver de bästa input från både den experimentella och beräkningsvetenskapliga sidan för att främja denna förståelse i nanoskala. Vårt integrerade tillvägagångssätt är ett perfekt exempel på det, och vi tror att det kommer att stimulera mer forskning inom detta spännande nya område."
Förutom Fong och Zhang inkluderar andra Argonne-författare E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan och H. Liu.
Mer information: Qingteng Zhang et al, Intermittenta defektfluktuationer i oxidheterostrukturer, Avancerat material (2023). DOI:10.1002/adma.202305383
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Argonne National Laboratory
