
Une équipe de chercheurs a créé une nouvelle méthode pour capturer les mouvements atomiques ultrarapides à l’intérieur des minuscules commutateurs qui contrôlent le flux de courant dans les circuits électroniques. Sur la photo, Aditya Sood (à gauche) et Aaron Lindenberg (à droite). Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Les scientifiques prennent les premiers instantanés de la commutation ultrarapide dans un appareil électronique quantique
Ils découvrent un état de courte durée qui pourrait conduire à des appareils informatiques plus rapides et plus économes en énergie.
Les circuits électroniques qui calculent et stockent les informations contiennent des millions de minuscules commutateurs qui contrôlent le flux de courant électrique. Une meilleure compréhension du fonctionnement de ces minuscules commutateurs pourrait aider les chercheurs à repousser les frontières de l’informatique moderne.
Les scientifiques ont maintenant réalisé les premiers instantanés d’atomes se déplaçant à l’intérieur de l’un de ces interrupteurs lorsqu’il s’allume et s’éteint. Entre autres choses, ils ont découvert un état de courte durée dans le commutateur qui pourrait un jour être exploité pour des appareils informatiques plus rapides et plus économes en énergie.
L’équipe de recherche du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie, de l’Université de Stanford, des Hewlett Packard Labs, de la Penn State University et de la Purdue University a décrit ses travaux dans un article publié dans Science aujourd’hui (16 juillet 2021).
«Cette recherche est une percée dans la technologie et la science ultrarapides», déclare Xijie Wang, scientifique et collaboratrice du SLAC. “C’est la première fois que des chercheurs ont utilisé la diffraction d’électrons ultrarapide, qui peut détecter de minuscules mouvements atomiques dans un matériau en diffusant un puissant faisceau d’électrons sur un échantillon, pour observer un appareil électronique pendant qu’il fonctionne.”

L’équipe a utilisé des impulsions électriques, illustrées ici en bleu, pour allumer et éteindre plusieurs fois leurs interrupteurs personnalisés. Ils ont chronométré ces impulsions électriques pour qu’elles arrivent juste avant les impulsions d’électrons produites par la source de diffraction d’électrons ultrarapide du SLAC, MeV-UED, qui a capturé les mouvements atomiques qui se produisent à l’intérieur de ces interrupteurs lorsqu’ils s’allument et s’éteignent. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Capturer le cycle
Pour cette expérience, l’équipe a conçu sur mesure des commutateurs électroniques miniatures en dioxyde de vanadium, un matériau quantique prototypique dont la capacité à passer d’un état isolant à un état conducteur électrique proche de la température ambiante pourrait être exploité comme un commutateur pour le calcul futur. Le matériau a également des applications dans l’informatique inspirée du cerveau en raison de sa capacité à créer des impulsions électroniques qui imitent les impulsions neurales déclenchées dans le cerveau humain.
Les chercheurs ont utilisé des impulsions électriques pour basculer ces commutateurs entre les états isolant et conducteur tout en prenant des instantanés qui montraient des changements subtils dans la disposition de leurs atomes sur des milliardièmes de seconde. Ces instantanés, pris avec la caméra de diffraction d’électrons ultrarapide du SLAC, MeV-UED, ont été enchaînés pour créer un film moléculaire des mouvements atomiques.
Le chercheur principal Aditya Sood discute de nouvelles recherches qui pourraient conduire à une meilleure compréhension du fonctionnement des minuscules commutateurs à l’intérieur des circuits électroniques. Crédit : Olivier Bonin/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
“Cette caméra ultrarapide peut réellement regarder à l’intérieur d’un matériau et prendre des instantanés de la façon dont ses atomes se déplacent en réponse à une impulsion d’excitation électrique”, a déclaré le collaborateur Aaron Lindenberg, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC. et professeur au Département de science et d’ingénierie des matériaux de l’Université de Stanford. “Dans le même temps, il mesure également comment les propriétés électroniques de ce matériau changent au fil du temps.”
Avec cette caméra, l’équipe a découvert un nouvel état intermédiaire au sein du matériau. Il est créé lorsque le matériau répond à une impulsion électrique en passant de l’état isolant à l’état conducteur.
“Les états isolants et conducteurs ont des dispositions atomiques légèrement différentes, et il faut généralement de l’énergie pour passer de l’un à l’autre”, a déclaré Xiaozhe Shen, scientifique et collaboratrice du SLAC. “Mais lorsque la transition a lieu à travers cet état intermédiaire, le changement peut avoir lieu sans aucun changement dans l’arrangement atomique.”
Ouvrir une fenêtre sur le mouvement atomique
Bien que l’état intermédiaire n’existe que pour quelques millionièmes de seconde, il est stabilisé par des défauts du matériau.
Pour faire suite à cette recherche, l’équipe étudie comment concevoir ces défauts dans les matériaux pour rendre ce nouvel état plus stable et plus durable. Cela leur permettra de fabriquer des dispositifs dans lesquels la commutation électronique peut se produire sans aucun mouvement atomique, ce qui fonctionnerait plus rapidement et nécessiterait moins d’énergie.
« Les résultats démontrent la robustesse de la commutation électrique sur des millions de cycles et identifient les limites possibles des vitesses de commutation de tels dispositifs », a déclaré Shriram Ramanathan, collaborateur, professeur à Purdue. “La recherche fournit des données inestimables sur les phénomènes microscopiques qui se produisent pendant les opérations de l’appareil, ce qui est crucial pour la conception de modèles de circuits à l’avenir.”
La recherche offre également une nouvelle façon de synthétiser des matériaux qui n’existent pas dans des conditions naturelles, permettant aux scientifiques de les observer à des échelles de temps ultrarapides, puis d’ajuster potentiellement leurs propriétés.
“Cette méthode nous donne une nouvelle façon de regarder les appareils pendant qu’ils fonctionnent, ouvrant une fenêtre pour voir comment les atomes se déplacent”, a déclaré l’auteur principal et chercheur du SIMES Aditya Sood. « C’est passionnant de rassembler des idées issues des domaines traditionnellement distincts du génie électrique et de la science ultrarapide. Notre approche permettra la création d’appareils électroniques de nouvelle génération capables de répondre aux besoins croissants du monde en matière d’informatique intelligente et gourmande en données.
Référence : « Dynamique de phase universelle en VO2 commutateurs révélés par diffraction ultrarapide d’opérandes » par Aditya Sood, Xiaozhe Shen, Yin Shi, Suhas Kumar, Su Ji Park, Marc Zajac, Yifei Sun, Long-Qing Chen, Shriram Ramanathan, Xijie Wang, William C. Chueh et Aaron M. Lindenberg , 16 juillet 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abc0652
MeV-UED est un instrument de l’installation utilisateur LCLS, exploité par le SLAC au nom du DOE Office of Science, qui a financé cette recherche.
Le SLAC est un laboratoire multiprogramme dynamique qui explore le fonctionnement de l’univers aux échelles les plus grandes, les plus petites et les plus rapides et invente des outils puissants utilisés par les scientifiques du monde entier. Avec des recherches couvrant la physique des particules, l’astrophysique et la cosmologie, les matériaux, la chimie, les sciences biologiques et énergétiques et l’informatique scientifique, nous aidons à résoudre des problèmes du monde réel et à faire avancer les intérêts de la nation.
Le SLAC est géré par l’Université de Stanford pour le Bureau des sciences du département américain de l’Énergie. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.