La “telecamera” ad alta velocità rileva il comportamento nascosto di un potenziale materiale “neuromorfo”.

Yimey Zhou մոտ Junji Lin vicino allo strumento di diffrazione elettronica ad alta velocità 3MV presso il Brookhaven National Laboratory Accelerator Testing Institution. Questo strumento agisce come una “camera” stroboscopica ad alta risoluzione per tracciare gli atomi. Prestito: Brookhaven National Laboratory

Immagina un computer in grado di pensare alla velocità del cervello umano consumando pochissima energia. Questo è l’obiettivo degli scienziati che cercano di scoprire o sviluppare materiali in grado di inviare ed elaborare segnali con la stessa facilità dei neuroni cerebrali e delle sinapsi. La scoperta della materia quantistica con la capacità interna di passare tra due (o più) forme potrebbe essere la chiave di queste tecnologie informatiche “neuromorfiche” dal suono futuristico.

In un articolo appena pubblicato sulla rivista Panoramica fisica X, Yimey Zhu և, fisico del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) del Brookhaven National Laboratory, e i suoi colleghi stanno descrivendo nuovi incredibili dettagli sul biossido di vanadio, una delle sostanze neuromorfiche più promettenti. Utilizzando i dati raccolti utilizzando una “telecamera stroboscopica” unica, il team ha registrato la traiettoria nascosta del movimento atomico mentre questo materiale passa dall’isolante al metallo in risposta a un impulso luminoso. Le loro scoperte possono aiutare a guidare la progettazione razionale di dispositivi neuromorfici ad alta velocità ed efficienti dal punto di vista energetico.

“Uno dei modi per ridurre il consumo di energia nei neuroni artificiali e nelle sinapsi è utilizzare le proprietà non lineari pronunciate della materia quantistica per i calcoli ispirati al cervello”, ha detto Zhou. “L’idea di base di questa efficienza energetica è che un piccolo stimolo elettrico nella materia quantistica può suscitare una grande risposta, che può essere elettrica, meccanica, ottica o magnetica, attraverso un cambiamento nello stato materiale”.

“Il biossido di vanadio è una delle sostanze rare e sorprendenti che è emersa come una promettente candidata per dispositivi neuro-mimetici bio-ispirati”, ha affermato. Mostra una transizione metallica isolante a temperatura ambiente dove una piccola tensione o corrente può causare un grande cambiamento nella resistenza attraverso una connessione che può imitare sia i neuroni (cellule nervose) che le sinapsi (le connessioni tra di loro).

“Va da un isolante completamente (come la gomma) a un ottimo conduttore metallico la cui resistenza cambia 10.000 volte o più”, ha detto Zhu.

Questi due stati fisici molto diversi inerenti allo stesso materiale possono essere codificati per calcoli cognitivi.

Immaginazione di moti atomici ad alta velocità

Per i loro esperimenti, gli scienziati sono passati ai fotoni con impulsi estremamente brevi di particelle di luce. Hanno quindi registrato la risposta su scala atomica del materiale utilizzando uno strumento di diffrazione elettronica ad alta velocità (MeV-UED) megaelettronvolt sviluppato a Brookhaven.

Puoi pensare a questo strumento come a una normale fotocamera con il coperchio aperto al buio, flash intermittenti per catturare qualcosa come una palla in movimento. La fotocamera cattura un’immagine con ogni flash. Una serie di immagini scattate in momenti diversi rivela la traiettoria della palla in volo.

La

Questa immagine del reticolo cristallino del biossido di vanadio nel suo stato stazionario mostra le posizioni degli atomi di vanadio nella fase isolata (sfere arancioni piene) և metallica (sfere rosse vuote). Scatola. L’impulso di luce (fotone) innesca una transizione a due stadi dall’isolante al metallo, dove il movimento degli atomi di vanadio è lineare nella prima fase e poi curvo nella seconda. Questo movimento curvo suggerisce che anche un’altra forza (esercitata dagli elettroni in orbita attorno agli atomi di vanadio) svolga un ruolo nella transizione. Prestito: Brookhaven National Laboratory

Lo “stroboscopio” MeV-UED cattura la dinamica di un oggetto in movimento con una scala temporale simile ma molto più veloce (meno di un trilionesimo di secondo) a una scala molto più piccola (meno di un miliardesimo di millimetro). ): Utilizza elettroni ad alta energia per rilevare le traiettorie degli atomi.

“Le misurazioni statiche precedenti hanno rivelato solo lo stato iniziale e finale della transizione biossido di vanadio-metallo, ma mancava il processo di transizione dettagliato”, ha affermato Junji Li, il primo autore dell’articolo. “Le nostre misurazioni ad alta velocità ci hanno permesso di vedere come si muovono gli atomi per catturare stati transitori (o ‘nascosti’) per aiutarci a comprendere le dinamiche di transizione”.

Le immagini da sole non raccontano l’intera storia. Dopo aver catturato più di 100.000 “frame”, gli scienziati hanno utilizzato una sofisticata tecnica di analisi cristallografica a dissolvenza temporale che hanno sviluppato per regolare i cambiamenti nell’intensità di dozzine di “picchi di diffrazione elettronica”. Questi sono i segnali prodotti dagli elettroni che si diffondono dagli atomi del campione di biossido di vanadio mentre gli atomi և i loro elettroni orbitali vengono trasferiti dallo stato isolante allo stato metallico.

“Il nostro strumento utilizza la tecnologia dell’acceleratore per generare elettroni a 3 MeV, che è 50 volte più grande dei dispositivi di diffrazione del microscopio elettronico ad alta velocità basati su laboratorio”, ha affermato Zhou. “Una maggiore energia ci consente di tracciare gli elettroni sparsi ad angoli più ampi, il che significa che possiamo ‘vedere’ i movimenti degli atomi su distanze più brevi con maggiore precisione”.

Dinamica bifase և percorso curvo

L’analisi ha mostrato che la transizione avviene in due fasi, con la seconda fase più lunga e più lenta della prima. Ha mostrato che nella seconda fase le traiettorie degli atomi non sono lineari.

“Pensi che la traiettoria di B dalla posizione A sarà una linea retta, la distanza più breve possibile? Invece, era curvo. Questo è stato del tutto inaspettato “, ha detto Zhou.

La curva indicava che esiste un’altra forza che svolge anche un ruolo nel processo di transizione.

Pensa alle immagini stroboscopiche della traiettoria di una palla. Quando lanci una palla, usi la forza. Ma anche un’altra forza, la gravità, trascina la palla a terra, facendo inclinare la traiettoria.

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Questa animazione mostra il cambiamento di posizione degli atomi di vanadio quando il biossido di vanadio passa attraverso gli “stati metallici” isolanti. Questa rapida conversione può essere causata da piccoli stimoli և modificare la resistenza elettrica del materiale 10.000 volte o più, tutte proprietà promettenti per applicazioni neuromorfiche ad alta efficienza energetica. Prestito: Brookhaven National Laboratory

Nel caso del biossido di vanadio, l’impulso luminoso è la forza che fornisce la transizione e la curvatura delle traiettorie atomiche è causata dagli elettroni che orbitano attorno agli atomi di vanadio.

La ricerca ha anche dimostrato che le misurazioni dell’intensità della luce utilizzate per indurre la dinamica atomica possono alterare le traiettorie atomiche e come la forza esercitata su una palla può influenzare il suo percorso. Quando la forza è abbastanza grande, i due sistemi (sfera o atomi) possono superare l’interazione competitiva per raggiungere il percorso lineare più vicino.

Per testare ulteriormente e confermare i loro risultati sperimentali con la dinamica atomica, il team ha anche eseguito calcoli della teoria funzionale della dinamica molecolare e della densità. Questi studi di modellizzazione li hanno aiutati a interpretare gli effetti cumulativi delle forze, a tenere traccia di come le strutture sono cambiate durante la transizione e a fornire immagini risolte nel tempo dei movimenti atomici.

Il documento descrive come una combinazione di teoria e studi sperimentali ha fornito informazioni dettagliate, compreso il modo in cui gli “applicatori” di vanadio (coppie di atomi di vanadio attaccati) si allungano, ruotano nel tempo. Lo studio ha anche affrontato con successo questioni scientifiche di lunga data sul biossido di vanadio, inclusa la presenza di una fase intermedia durante la transizione del metallo isolante, il ruolo della fotosintesi indotta dal calore indotta dal calore e l’origine delle transizioni difettose durante il fotovoltaico.

Questo studio getta nuova luce sulla comprensione da parte degli scienziati di come le dinamiche di rete elettroniche fotonominate և influenzino il passaggio di questa particolare fase և dovrebbe և aiutare շարունակ a far avanzare l’evoluzione della tecnologia informatica.

Per quanto riguarda la creazione di un computer che imiti il ​​cervello umano, Zhou ha detto: “Abbiamo ancora molta strada da fare, ma penso che siamo sulla strada giusta”.


Identificazione transitoria. Un materiale che sembra un isolante rivoluzionario conduce anche elettricità


Informazioni aggiuntive.
Junjie Li et al., Rilevamento diretto dei percorsi dinamici dell’atomizzazione VV և rotazione durante il fotovoltaico ad alta velocità in VO2; Panoramica fisica X: (2022). DOI: 10.1103 / PhysRevX.12.021032:

Fornito da Brookhaven National Laboratory

Citazione:La “telecamera” ad alta velocità cattura il comportamento nascosto del potenziale materiale “neuromorfo” (9 maggio 2022), scattata il 10 maggio 2022: https://phys.org/news/2022-05-ultrafast-camera-captures- nascosto -comportamento.html:

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