I circuiti elettronici che calcolano e memorizzano le informazioni contengono milioni di minuscoli interruttori che controllano il flusso di corrente elettrica. Una comprensione più profonda di come funzionano questi minuscoli interruttori potrebbe aiutare i ricercatori a spingere le frontiere dell'informatica moderna.

Ora gli scienziati hanno realizzato le prime istantanee degli atomi che si muovono all'interno di uno di quegli interruttori mentre si accende e si spegne. Tra l'altro, hanno scoperto uno stato di breve durata all'interno dello switch che un giorno potrebbe essere sfruttato per dispositivi di elaborazione più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

Il gruppo di ricerca del Laboratorio Nazionale dell'Acceleratore SLAC del Dipartimento dell'Energia, Università di Stanford, Hewlett Packard Labs, La Penn State University e la Purdue University hanno descritto il loro lavoro in un articolo pubblicato su Scienza oggi.

"Questa ricerca è una svolta nella tecnologia e nella scienza ultraveloci, ", afferma lo scienziato e collaboratore SLAC Xijie Wang. "Segna la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato la diffrazione elettronica ultraveloce, che può rilevare piccoli movimenti atomici in un materiale disperdendo un potente fascio di elettroni da un campione, osservare un dispositivo elettronico mentre funziona."

Catturare il ciclo

Per questo esperimento, il team ha progettato interruttori elettronici in miniatura realizzati su misura in biossido di vanadio, un prototipo di materiale quantistico la cui capacità di cambiare avanti e indietro tra stati isolanti e stati elettricamente conduttivi vicino alla temperatura ambiente potrebbe essere sfruttato come interruttore per l'elaborazione futura. Il materiale ha anche applicazioni nell'informatica ispirata al cervello grazie alla sua capacità di creare impulsi elettronici che imitano gli impulsi neurali sparati nel cervello umano.

I ricercatori hanno utilizzato impulsi elettrici per commutare questi interruttori avanti e indietro tra lo stato isolante e quello conduttivo mentre scattavano istantanee che mostravano sottili cambiamenti nella disposizione dei loro atomi in miliardesimi di secondo. Quelle istantanee, scattata con la fotocamera a diffrazione elettronica ultraveloce di SLAC, MeV-UED, sono stati messi insieme per creare un film molecolare dei moti atomici.

"Questa fotocamera ultraveloce può effettivamente guardare all'interno di un materiale e scattare istantanee di come i suoi atomi si muovono in risposta a un forte impulso di eccitazione elettrica, " ha detto il collaboratore Aaron Lindenberg, ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) presso lo SLAC e professore presso il Department of Materials Science and Engineering della Stanford University. "Allo stesso tempo, misura anche come le proprietà elettroniche di quel materiale cambiano nel tempo."

Con questa fotocamera, il team ha scoperto un nuovo, stato intermedio all'interno del materiale. Viene creato quando il materiale risponde a un impulso elettrico passando dallo stato isolante a quello conduttivo.

"Gli stati isolanti e conduttivi hanno disposizioni atomiche leggermente diverse, e di solito ci vuole energia per passare dall'uno all'altro, " ha detto lo scienziato e collaboratore dello SLAC Xiaozhe Shen. "Ma quando la transizione avviene attraverso questo stato intermedio, il passaggio può avvenire senza alcuna modifica alla disposizione atomica."

Aprire una finestra sul moto atomico

Sebbene lo stato intermedio esista solo per pochi milionesimi di secondo, è stabilizzato da difetti nel materiale.

Per dare seguito a questa ricerca, il team sta studiando come progettare questi difetti nei materiali per rendere questo nuovo stato più stabile e più duraturo. Ciò consentirà loro di realizzare dispositivi in ​​cui la commutazione elettronica può avvenire senza alcun movimento atomico, che funzionerebbe più velocemente e richiederebbe meno energia.

"I risultati dimostrano la robustezza della commutazione elettrica su milioni di cicli e identificano possibili limiti alle velocità di commutazione di tali dispositivi, " ha detto il collaboratore Shriram Ramanathan, un professore alla Purdue. "La ricerca fornisce dati inestimabili sui fenomeni microscopici che si verificano durante le operazioni del dispositivo, che è cruciale per la progettazione di modelli di circuiti in futuro."

La ricerca offre anche un nuovo modo di sintetizzare materiali che non esistono in condizioni naturali, consentendo agli scienziati di osservarli su scale temporali ultraveloci e quindi potenzialmente sintonizzare le loro proprietà.

"Questo metodo ci offre un nuovo modo di guardare i dispositivi mentre funzionano, aprendo una finestra per vedere come si muovono gli atomi, " ha affermato l'autore principale e ricercatore SIMES Aditya Sood. "È emozionante riunire idee provenienti dai campi tradizionalmente distinti dell'ingegneria elettrica e della scienza ultraveloce. Il nostro approccio consentirà la creazione di dispositivi elettronici di prossima generazione in grado di soddisfare le crescenti esigenze mondiali di dati ad alta intensità di dati, informatica intelligente."