Immagina un computer in grado di pensare alla stessa 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 e delle sinapsi del cervello. L'identificazione di materiali quantistici con una capacità intrinseca di passare da due forme distinte (o più) può essere la chiave di queste tecnologie informatiche "neuromorfiche" dal suono futuristico.

In un articolo appena pubblicato sulla rivista Physical Review X, Yimei Zhu, fisico del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), e i suoi collaboratori descrivono nuovi sorprendenti dettagli sul biossido di vanadio, uno dei materiali neuromorfici più promettenti. Utilizzando i dati raccolti da una "telecamera stroboscopica" unica, il team ha catturato la traiettoria nascosta del movimento atomico mentre questo materiale passa da un isolante a un metallo in risposta a un impulso di luce. Le loro scoperte potrebbero aiutare a guidare la progettazione razionale di dispositivi neuromorfici ad alta velocità ed efficienti dal punto di vista energetico.

"Un modo per ridurre il consumo di energia nei neuroni artificiali e nelle sinapsi per l'informatica ispirata al cervello è sfruttare le pronunciate proprietà non lineari dei materiali quantistici", ha affermato Zhu. "L'idea principale alla base di questa efficienza energetica è che nei materiali quantistici, un piccolo stimolo elettrico può produrre un'ampia risposta che può essere elettrica, meccanica, ottica o magnetica attraverso un cambiamento di stato materiale."

"Il biossido di vanadio è uno dei materiali rari e sorprendenti che è emerso come un candidato promettente per dispositivi neuro-mimetici bio-ispirati", ha affermato. Mostra una transizione isolante-metallo vicino alla temperatura ambiente in cui una piccola tensione o corrente può produrre un grande cambiamento nella resistività con commutazione che può imitare il comportamento sia dei neuroni (cellule nervose) che delle sinapsi (le connessioni tra di loro).

"Va dall'isolamento completo, come la gomma, a un ottimo conduttore metallico, con una variazione della resistività di 10.000 volte o più", ha affermato Zhu.

Quei due stati fisici molto diversi, intrinseci nello stesso materiale, potrebbero essere codificati per il cognitive computing.

Visualizzazione dei movimenti atomici ultraveloci

Per i loro esperimenti, gli scienziati hanno attivato la transizione con impulsi estremamente brevi di fotoni, particelle di luce. Quindi hanno catturato la risposta su scala atomica del materiale utilizzando uno strumento a diffrazione elettronica ultraveloce mega-elettron-volt (MeV-UED) sviluppato a Brookhaven.

Puoi pensare a questo strumento come simile a una fotocamera convenzionale con l'otturatore lasciato aperto in un ambiente buio, che spara flash intermittenti per catturare qualcosa come una palla lanciata in movimento. Ad ogni flash, la fotocamera registra un'immagine; la serie di immagini scattate in momenti diversi rivela la traiettoria della palla in volo.

Lo "stroboscopio" MeV-UED cattura la dinamica di un oggetto in movimento in modo simile, ma su una scala temporale molto più rapida (minore di un trilionesimo di secondo) e su una scala di lunghezza molto più piccola (minore di un miliardesimo di millimetro ). Utilizza elettroni ad alta energia per rivelare le traiettorie degli atomi.

"Le misurazioni statiche precedenti hanno rivelato solo lo stato iniziale e finale della transizione dall'isolante al metallo di biossido di vanadio, ma mancava il processo di transizione dettagliato", ha affermato Junjie Li, il primo autore dell'articolo. "Le nostre misurazioni ultraveloci ci hanno permesso di vedere come si muovono gli atomi, per catturare gli stati transitori (o 'nascosti') di breve durata, per aiutarci a capire la dinamica della transizione."

Le immagini da sole non raccontano l'intera storia. Dopo aver catturato più di 100.000 "scatti", gli scienziati hanno utilizzato sofisticate tecniche di analisi cristallografica risolte nel tempo che avevano sviluppato per perfezionare i cambiamenti di intensità di alcune dozzine di "picchi di diffrazione elettronica". Questi sono i segnali prodotti dagli elettroni che si disperdono dagli atomi del campione di biossido di vanadio mentre gli atomi e i loro elettroni orbitali si spostano dallo stato isolante allo stato metallico.

"Il nostro strumento utilizza la tecnologia dell'acceleratore per generare elettroni con un'energia di 3 MeV, che è 50 volte superiore rispetto agli strumenti di diffrazione e microscopia elettronica ultraveloci più piccoli basati su laboratorio", ha affermato Zhu. "L'energia più elevata ci consente di tracciare gli elettroni sparsi ad angoli più ampi, il che si traduce in essere in grado di 'vedere' i movimenti degli atomi a distanze minori con maggiore precisione."

Due fasi dinamiche e un percorso curvo

L'analisi ha rivelato che la transizione avviene in due fasi, con la seconda fase più lunga in durata e più lenta in velocità rispetto alla prima. Ha anche mostrato che le traiettorie dei movimenti degli atomi nel secondo stadio non erano lineari.

"Penseresti che la traiettoria dalla posizione A a B sarebbe una linea retta diretta, la distanza più breve possibile. Invece, era una curva. Questo è stato completamente inaspettato", ha detto Zhu.

La curva indicava che esiste un'altra forza che svolge anche un ruolo nella transizione.

Ripensa alle immagini stroboscopiche della traiettoria di una palla. Quando lanci una palla, eserciti una forza. Ma anche un'altra forza, la gravità, trascina la palla a terra, facendo curvare la traiettoria.

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

Lo studio ha anche mostrato che una misura correlata all'intensità della luce utilizzata per innescare la dinamica atomica può alterare le traiettorie atomiche, in modo simile al modo in cui la forza esercitata su una palla può influire sul suo percorso. Quando la forza è abbastanza grande, entrambi i sistemi (la palla o gli atomi) possono superare l'interazione in competizione per ottenere un percorso quasi lineare.

Per verificare e confermare i loro risultati sperimentali e comprendere ulteriormente la dinamica atomica, il team ha anche effettuato calcoli sulla dinamica molecolare e sulla teoria del funzionale della densità. Questi studi di modellazione li hanno aiutati a decifrare gli effetti cumulativi delle forze per tenere traccia di come le strutture sono cambiate durante la transizione e hanno fornito istantanee risolte nel tempo dei movimenti atomici.

L'articolo descrive come la combinazione di teoria e studi sperimentali ha fornito informazioni dettagliate, compreso il modo in cui i "dimeri" di vanadio (coppie legate di atomi di vanadio) si allungano e ruotano nel tempo durante la transizione. La ricerca ha anche affrontato con successo alcune domande scientifiche di lunga data sul biossido di vanadio, inclusa l'esistenza di una fase intermedia durante la transizione dall'isolante al metallo, il ruolo del riscaldamento termico indotto dalla fotoeccitazione e l'origine delle transizioni incomplete durante la fotoeccitazione.

Questo studio getta nuova luce sulla comprensione degli scienziati di come l'elettronica fotoindotta e la dinamica del reticolo influenzino questa particolare transizione di fase e dovrebbe anche aiutare a continuare a spingere l'evoluzione della tecnologia informatica.

Quando si tratta di creare un computer che imiti il ​​cervello umano, Zhu ha detto:"abbiamo ancora molta strada da fare, ma penso che siamo sulla strada giusta". + Esplora ulteriormente

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