L’intelligenza artificiale (AI) ha il potenziale per trasformare tecnologie diverse come i pannelli solari, i sensori medici integrati nel corpo e i veicoli a guida autonoma. Ma queste applicazioni stanno già spingendo i computer di oggi ai loro limiti in termini di velocità, dimensioni della memoria e consumo energetico.
Fortunatamente, gli scienziati nei campi dell'intelligenza artificiale, dell'informatica e delle nanoscienze stanno lavorando per superare queste sfide e utilizzano il loro cervello come modello.
Questo perché i circuiti, o neuroni, del cervello umano hanno un vantaggio fondamentale rispetto ai circuiti dei computer odierni:possono immagazzinare informazioni ed elaborarle nello stesso posto. Ciò li rende eccezionalmente veloci ed efficienti dal punto di vista energetico. Ecco perché gli scienziati stanno ora esplorando come utilizzare materiali misurati in miliardesimi di metro – i “nanomateriali” – per costruire circuiti che funzionino come i nostri neuroni. Per farlo con successo, tuttavia, gli scienziati devono capire esattamente cosa sta succedendo all'interno di questi circuiti di nanomateriali a livello atomico.
Recentemente, un team di ricercatori, tra cui scienziati dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), ha aperto la strada a un nuovo modo per valutare esattamente questo. Nello specifico, hanno utilizzato l'Advanced Photon Source (APS), una struttura utilizzata dal DOE Office of Science, per esaminare i cambiamenti che si verificano nella struttura di un nanomateriale specifico quando passa da condurre una corrente elettrica a non condurre corrente elettrica. Questo imita il passaggio tra gli stati "on" e "off" in un circuito neurale.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
In questi materiali, lo stato di conduzione, o fase, è controllato da imperfezioni del materiale (o "difetti puntuali") a livello atomico. Mettendo a dura prova il nanomateriale, i ricercatori possono alterare la concentrazione e cambiare la posizione di questi difetti. Ciò cambia il percorso del flusso di elettroni. Tuttavia, questi difetti sono in costante movimento, il che cambia le regioni conduttrici e non conduttrici del materiale. Fino ad ora, questa mozione è stata estremamente difficile da studiare.
"Sono state condotte molte ricerche sulla presenza e sulla natura dei difetti nei nanomateriali", ha spiegato Dillon Fong, scienziato dei materiali all'Argonne. "Ma sapevamo molto poco sulla dinamica di questi difetti quando un materiale cambia fase. Volevamo dimostrare che è possibile utilizzare i raggi X per esaminare le transizioni tra fasi conduttrici e non conduttrici nei nanomateriali in condizioni simili a quelle in cui questi materiali sarà usato." Il team ha dimostrato come l'APS può contribuire a rendere tutto ciò possibile.
Per l'esperimento, i ricercatori hanno scelto un materiale, SrCoOx , che passa facilmente dalla fase conduttiva a quella non conduttiva e isolante. Per vedere la fluttuazione tra la fase conduttiva e la fase isolante su scala nanometrica, hanno utilizzato una tecnica chiamata spettroscopia di correlazione dei fotoni a raggi X (XPCS). Ciò è reso possibile dai fasci di raggi X altamente coerenti dell’APS. XPCS può misurare direttamente la velocità con cui il materiale fluttua tra le diverse fasi su scala atomica, anche quando queste fluttuazioni sono appena rilevabili.
"La misurazione XPCS non sarebbe possibile senza il fascio di raggi X coerente dell'APS", ha affermato Qingteng Zhang, un assistente fisico dell'APS che ha guidato le misurazioni dei raggi X.
"Inoltre, è importante effettuare la misurazione nelle stesse condizioni in cui funzionerà il materiale. Ciò ci consente di apprendere come si comporterà il materiale mentre svolge la sua funzione prevista. Tuttavia, tale controllo ambientale di solito richiede la sigillatura del campione in una camera o una cupola È qui che il fascio di raggi X altamente penetrante dell'APS è estremamente utile perché mentre la finestra della camera o il guscio della cupola sono opachi alla luce visibile, possiamo renderli completamente trasparenti ai raggi X. ."
L'aggiornamento APS, ora in corso, aumenterà la luminosità dei raggi X APS fino a 500 volte una volta completato nel 2024. Ciò aumenterà in modo significativo la velocità di misurazione e la qualità delle tecniche a raggi X coerenti, incluso XPCS . Ciò potrebbe creare opportunità scientifiche senza precedenti per i ricercatori di tutto il mondo.
Questa è una prospettiva entusiasmante per Panchapakesan Ganesh, ricercatore presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE. Ha guidato il lavoro teorico nello studio insieme ai membri del suo team Vitalii Starchenko, ORNL, e Guoxiang Hu, ora assistente professore presso la Georgia Tech.
"I dati di alta qualità provenienti da esperimenti come questi sono fondamentali per la nostra capacità di sviluppare teorie e costruire modelli in grado di catturare ciò che accade nei materiali nanoelettronici quando passano dalle fasi conduttive a quelle non conduttive", ha affermato Ganesh. "Ad esempio, dobbiamo imparare come l'energia si dissipa in questi sistemi se vogliamo sviluppare nanodispositivi che si avvicinino all'efficienza energetica del nostro cervello.
"Nessun singolo approccio computazionale può risolvere questo tipo di problema da solo. Abbiamo bisogno dei migliori input sia dal lato della scienza sperimentale che da quello computazionale per far avanzare questa comprensione su scala nanometrica. Il nostro approccio integrato ne è un perfetto esempio e pensiamo che stimolerà ulteriori ricerche in questo nuovo entusiasmante campo."
Oltre a Fong e Zhang, altri autori di Argonne includono E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan e H. Liu.
Ulteriori informazioni: Qingteng Zhang et al, Fluttuazioni intermittenti dei difetti nelle eterostrutture di ossidi, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202305383
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
