Uma equipe de pesquisadores criou um novo método para capturar movimentos atômicos ultrarrápidos dentro de pequenos interruptores que controlam o fluxo de corrente em circuitos eletrônicos. Na foto, estão Aditya Sood (à esquerda) e Aaron Lindenberg (à direita). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Os circuitos eletrônicos que calculam e armazenam informações contêm milhões de pequenos interruptores que controlam o fluxo da corrente elétrica. Uma compreensão mais profunda de como esses minúsculos interruptores funcionam pode ajudar os pesquisadores a ultrapassar as fronteiras da computação moderna.
Agora os cientistas fizeram os primeiros instantâneos de átomos movendo-se dentro de um desses interruptores conforme ele liga e desliga. Entre outras coisas, eles descobriram um estado de curta duração dentro do switch que poderia algum dia ser explorado para dispositivos de computação mais rápidos e eficientes em termos de energia.
A equipe de pesquisa do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia, Universidade de Stanford, Hewlett Packard Labs, Penn State University e Purdue University descreveram seu trabalho em um artigo publicado em Ciência hoje.
"Esta pesquisa é um avanço em tecnologia e ciência ultrarrápidas, "diz o cientista e colaborador do SLAC Xijie Wang." É a primeira vez que os pesquisadores usaram difração de elétrons ultrarrápida, que pode detectar movimentos atômicos minúsculos em um material, espalhando um poderoso feixe de elétrons de uma amostra, observar um dispositivo eletrônico enquanto ele opera. "
Capturando o ciclo
Para este experimento, a equipe projetou comutadores eletrônicos em miniatura feitos de dióxido de vanádio, um material quântico prototípico cuja capacidade de mudar para frente e para trás entre os estados de isolamento e eletricamente condutores próximos à temperatura ambiente poderia ser aproveitada como uma chave para computação futura. O material também tem aplicações em computação inspirada no cérebro por causa de sua capacidade de criar pulsos eletrônicos que imitam os impulsos neurais disparados no cérebro humano.
Os pesquisadores usaram pulsos elétricos para alternar essas chaves entre os estados isolante e condutor, enquanto tiravam fotos que mostravam mudanças sutis no arranjo de seus átomos ao longo de bilionésimos de segundo. Esses instantâneos, tirada com a câmera ultrarrápida de difração de elétrons do SLAC, MeV-UED, foram amarrados juntos para criar um filme molecular dos movimentos atômicos.
"Esta câmera ultrarrápida pode realmente olhar dentro de um material e tirar fotos de como seus átomos se movem em resposta a um pulso agudo de excitação elétrica, "disse o colaborador Aaron Lindenberg, um investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no SLAC e um professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford. "Ao mesmo tempo, também mede como as propriedades eletrônicas desse material mudam com o tempo. "
Com esta câmera, a equipe descobriu um novo, estado intermediário dentro do material. Ele é criado quando o material responde a um pulso elétrico, passando do estado isolante para o estado condutor.
"Os estados isolantes e condutores têm arranjos atômicos ligeiramente diferentes, e geralmente leva energia para ir de um para o outro, "disse o cientista e colaborador do SLAC Xiaozhe Shen." Mas quando a transição ocorre através deste estado intermediário, a troca pode ocorrer sem qualquer alteração no arranjo atômico. "
A equipe usou pulsos elétricos, mostrado aqui em azul, para ligar e desligar seus interruptores personalizados várias vezes. Eles cronometraram esses pulsos elétricos para chegarem um pouco antes dos pulsos de elétrons produzidos pela fonte de difração de elétrons ultrarrápida do SLAC, MeV-UED, que capturava os movimentos atômicos que aconteciam dentro desses interruptores conforme eles ligavam e desligavam. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Abrindo uma janela no movimento atômico
Embora o estado intermediário exista por apenas alguns milionésimos de segundo, é estabilizado por defeitos no material.
Para acompanhar esta pesquisa, a equipe está investigando como projetar esses defeitos nos materiais para tornar esse novo estado mais estável e duradouro. Isso permitirá que eles façam dispositivos nos quais a comutação eletrônica possa ocorrer sem qualquer movimento atômico, que operaria mais rápido e exigiria menos energia.
"Os resultados demonstram a robustez da comutação elétrica ao longo de milhões de ciclos e identificam possíveis limites para as velocidades de comutação de tais dispositivos, "disse o colaborador Shriram Ramanathan, um professor em Purdue. "A pesquisa fornece dados valiosos sobre fenômenos microscópicos que ocorrem durante as operações do dispositivo, o que é crucial para projetar modelos de circuito no futuro. "
A pesquisa também oferece uma nova forma de sintetizar materiais que não existem em condições naturais, permitindo aos cientistas observá-los em escalas de tempo ultrarrápidas e, então, potencialmente ajustar suas propriedades.
"Este método nos oferece uma nova maneira de observar os dispositivos enquanto eles funcionam, abrindo uma janela para ver como os átomos se movem, "disse o autor principal e pesquisador do SIMES Aditya Sood." É empolgante reunir ideias de campos tradicionalmente distintos da engenharia elétrica e da ciência ultrarrápida. Nossa abordagem permitirá a criação de dispositivos eletrônicos de última geração que podem atender às crescentes necessidades mundiais de uso intensivo de dados, computação inteligente. "
