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Gli scienziati scattano le prime istantanee della commutazione ultraveloce in un dispositivo elettronico quantistico

allentato

Scoprono uno stato di breve durata che potrebbe portare a dispositivi informatici più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico.

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 i confini dell’informatica moderna.

Gli scienziati hanno ora realizzato le prime istantanee degli atomi che si muovono all’interno di uno di quegli interruttori mentre si accende e si spegne. Tra le altre cose, 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 team di ricerca dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia, della Stanford University, dei Hewlett Packard Laboratories, della Pennsylvania State University e della Purdue University descrive 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. “È la prima volta che i ricercatori utilizzano la diffrazione elettronica ultraveloce, in grado di rilevare piccoli movimenti atomici in un materiale disperdendo un forte fascio di elettroni da un campione, per osservare un dispositivo elettronico in azione”.

acquisizione della sessione

Per questo esperimento, gli interruttori elettronici in miniatura progettati dal team in biossido di vanadio, un materiale quantistico modello la cui capacità di cambiare avanti e indietro tra stati isolanti e stati elettricamente conduttivi vicino alla temperatura ambiente potrebbero essere sfruttati come chiave 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 nervosi sparati nel cervello umano.

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I ricercatori hanno utilizzato impulsi elettrici per commutare questi interruttori avanti e indietro tra lo stato isolante e lo stato conduttivo mentre scattavano istantanee che mostravano piccoli cambiamenti nella disposizione dei loro atomi in un miliardesimo di secondo. Quegli scatti, fatti con Fotocamera a diffrazione elettronica ultraveloce SLAC, MeV-UED, sono stati cuciti insieme per creare un film molecolare di moti atomici.

Il team ha utilizzato impulsi elettrici (oscillazione blu) per alternare interruttori appositamente progettati avanti e indietro tra gli stati isolante e conduttivo e ha scattato istantanee di sottili cambiamenti nella disposizione dei loro atomi con impulsi di elettroni (bianchi) dalla sorgente di diffrazione elettronica ultraveloce dello SLAC, il MeV-UED. Queste istantanee sono state cucite insieme in un film molecolare che ha rivelato i cambiamenti che si verificano entro un miliardesimo di secondo. (National Accelerator Laboratory Greg Stewart/SLAC)

ha detto il collaboratore Aaron Lindenberg, investigatore per Stanford Institute of Materials and Energy Sciencess (SIMES) presso SLAC e Professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Stanford University. “Allo stesso tempo, misura anche come le proprietà elettroniche di quel materiale cambiano nel tempo”.

Utilizzando questa fotocamera, il team ha scoperto un nuovo stato intermedio all’interno del materiale. Viene creato quando un materiale risponde a un impulso elettrico passando da uno stato isolante a uno stato conduttivo.

Cambio di paese ultrarapido

È noto che il materiale utilizzato in questa ricerca esiste in due forme: lo stato conduttivo, che conduce elettricità, e lo stato dielettrico, che non esiste. In condizioni naturali, i due stati hanno disposizioni atomiche leggermente diverse e ci vuole energia per spostarsi dall’uno all’altro. I ricercatori hanno scoperto che in seguito a scosse elettriche, questi materiali entrano in uno stato transitorio di conduzione in cui passano da dielettrico a conduttivo senza cambiamenti nella disposizione atomica. (National Accelerator Laboratory Greg Stewart/SLAC)

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“Gli stati isolanti e conduttori hanno disposizioni atomiche leggermente diverse e di solito ci vuole energia per passare dall’uno all’altro”, ha affermato Xiaozhe Shen, scienziato e collaboratore dello SLAC. “Ma quando la transizione avviene attraverso questo stato intermedio, il passaggio può avvenire senza alcun cambiamento nella disposizione atomica”.

Aprire una finestra sul moto atomico

Sebbene lo stato intermedio sia presente per pochi milionesimi di secondo, si stabilizza a causa delle imperfezioni del materiale.

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