A inteligência artificial (IA) tem potencial para transformar tecnologias tão diversas como painéis solares, sensores médicos incorporados e veículos autónomos. Mas estas aplicações já estão a levar os computadores actuais aos seus limites no que diz respeito à velocidade, tamanho da memória e consumo de energia.



Felizmente, os cientistas nas áreas da IA, da computação e da nanociência estão a trabalhar para superar estes desafios e usam os seus cérebros como modelos.

Isso ocorre porque os circuitos, ou neurônios, do cérebro humano têm uma vantagem fundamental sobre os circuitos de computador atuais:eles podem armazenar informações e processá-las no mesmo lugar. Isso os torna excepcionalmente rápidos e eficientes em termos energéticos. É por isso que os cientistas estão agora a explorar como utilizar materiais medidos em bilionésimos de metro – “nanomateriais” – para construir circuitos que funcionem como os nossos neurónios. Para o fazer com sucesso, no entanto, os cientistas devem compreender precisamente o que está a acontecer dentro destes circuitos de nanomateriais a nível atómico.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores, incluindo cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), foi pioneira em uma nova maneira de avaliar exatamente isso. Especificamente, eles usaram o Advanced Photon Source (APS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science, para examinar as mudanças que ocorrem na estrutura de um nanomaterial específico à medida que ele deixa de conduzir uma corrente elétrica ou não. Isso imita a alternância entre os estados “ligado” e “desligado” em um circuito neural.

O trabalho está publicado na revista Advanced Materials .

Nestes materiais, o estado condutor, ou fase, é controlado por imperfeições no material (ou "defeitos pontuais") em nível atômico. Ao colocar pressão sobre o nanomaterial, os pesquisadores podem alterar a concentração e mudar a posição desses defeitos. Isso muda o caminho do fluxo de elétrons. Porém, esses defeitos estão em constante movimento, o que altera as regiões condutoras e não condutoras do material. Até agora, este movimento tem sido extremamente difícil de estudar.

“Tem havido muitas pesquisas sobre a ocorrência e a natureza dos defeitos nos nanomateriais”, explicou Dillon Fong, cientista de materiais em Argonne. "Mas sabíamos muito pouco sobre a dinâmica desses defeitos quando um material muda de fase. Queríamos mostrar que é possível usar raios X para examinar transições entre fases condutoras e não condutoras em nanomateriais sob condições semelhantes àquelas sob as quais esses materiais será usado." A equipe demonstrou como a APS pode ajudar a tornar isso possível.

Para o experimento, os pesquisadores escolheram um material, SrCoO_x , que alterna facilmente entre as fases isolantes condutoras e não condutoras. Para ver a flutuação entre a fase condutora e a fase isolante em nanoescala, eles usaram uma técnica chamada espectroscopia de correlação de fótons de raios X (XPCS). Isto é possibilitado pelos feixes de raios X altamente coerentes do APS. O XPCS pode medir diretamente a rapidez com que o material flutua entre as diferentes fases na escala atômica, mesmo quando essas flutuações são dificilmente detectáveis.

“A medição do XPCS não seria possível sem o feixe coerente de raios X da APS”, disse Qingteng Zhang, físico assistente da APS que liderou as medições de raios X.

"Além disso, é importante que façamos a medição nas mesmas condições em que o material irá operar. Isso nos permite saber como o material se comportará enquanto desempenha a função pretendida. No entanto, esse controle ambiental geralmente requer a vedação da amostra em uma câmara ou uma cúpula É aqui que o feixe de raios X altamente penetrante do APS é extremamente útil porque, embora a janela da câmara ou a cúpula sejam opacas à luz visível, podemos tornar qualquer uma delas completamente transparente aos raios X. ."

A atualização do APS – agora em andamento – aumentará o brilho dos raios X do APS em até 500 vezes após sua conclusão em 2024. Isso aumentará significativamente a velocidade de medição, bem como a qualidade das técnicas coerentes de raios X, incluindo XPCS. . Isto poderia criar oportunidades científicas sem precedentes para investigadores de todo o mundo.

Essa é uma perspectiva interessante para Panchapakesan Ganesh, pesquisador do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do DOE. Ele liderou o trabalho teórico do estudo junto com os membros de sua equipe Vitalii Starchenko, ORNL e Guoxiang Hu, agora professor assistente na Georgia Tech.

"Dados de alta qualidade de experimentos como esses são essenciais para nossa capacidade de desenvolver teorias e construir modelos que possam capturar o que acontece em materiais nanoeletrônicos quando eles passam de fases condutoras para fases não condutoras", disse Ganesh. “Por exemplo, precisamos aprender como a energia se dissipa nesses sistemas se quisermos desenvolver nanodispositivos que se aproximem da eficiência energética do nosso cérebro.

"Nenhuma abordagem computacional pode resolver este tipo de problema por si só. Precisamos dos melhores contributos tanto do lado experimental como da ciência computacional para avançar nesta compreensão em nanoescala. A nossa abordagem integrada é um exemplo perfeito disso, e pensamos que irá estimular mais pesquisas neste campo novo e excitante."

Além de Fong e Zhang, outros autores de Argonne incluem EM Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, AR Sandy, GE Sterbinsky, G. Wan, IC Almazan e H. Liu.

Mais informações: Qingteng Zhang et al, Flutuações de defeitos intermitentes em heteroestruturas de óxido, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202305383
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne