חוקרים מקדמים מחשוב-על חסכוני באנרגיה על ידי רתימת גלי צפיפות המטען בחומרים, טכניקה המחקה נוירונים במוח. שיטות מיקרוסקופיה חדשות במעבדה הלאומית של Argonne חושפות כיצד ניתן לתמרן את הגלים הללו באמצעות חשמל, ומציעות תובנות לגבי מכשירים מיקרואלקטרוניים מהירים, קטנים ויעילים יותר. קרדיט: twoday.co.il.com
לגלי צפיפות המטען יש יישומים בדור הבא ובמחשוב חסכוני באנרגיה.
מדענים השתמשו במיקרוסקופ אלקטרוני מהיר במיוחד כדי ללכוד את השינויים בננו-שניות בחומר במהלך פעימות חשמליות. הבנת השינויים הללו עשויה להוביל לאלקטרוניקה חסכונית יותר באנרגיה.
מחשבי העל של היום צורכים כמויות עצומות של אנרגיה, שווה ערך לצריכת החשמל של אלפי בתים. בתגובה, חוקרים מפתחים צורה יעילה יותר באנרגיה של מחשוב-על מהדור הבא הממנפת רשתות עצביות מלאכותיות. רשתות אלו מחקות את התהליכים של נוירונים, היחידה הבסיסית במוח האנושי. ניתן להשיג חיקוי זה באמצעות גלי צפיפות המטען המתרחשים בחומרים מסוימים. גלי צפיפות המטען הם דפוסים דמויי גל של אלקטרונים – חלקיקים בעלי מטען שלילי – הנעים באופן מתאם.
פתיחת הדינמיקה של גלי צפיפות המטען
גלי צפיפות המטען מגבירים את ההתנגדות לתנועת אלקטרונים בחומר. היכולת לשלוט על הגלים יכולה לספק הפעלה וכיבוי מהיר של ההתנגדות. לאחר מכן ניתן יהיה לנצל תכונה זו עבור מחשוב חסכוני יותר באנרגיה, כמו גם חישה מדוייקת במיוחד. עם זאת, לא ברור כיצד מתרחש תהליך המעבר, במיוחד בהתחשב בכך שהגלים משתנים ממצב אחד לאחר תוך 20 מיליארדיות השנייה.
"טכניקה חדשה זו הניבה תוצאות עם יישומים רחבים למיקרו-אלקטרוניקה חסכונית באנרגיה."
— Charudatta Phatak, מדען חומרים וסגן מנהל החטיבה
התקדמות במיקרוסקופיה במעבדה הלאומית של Argonne
חוקרים במעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) מצאו דרך חדשה לחקור את הגלים הללו. לשם כך, הם פנו למיקרוסקופ האלקטרונים האולטרה-מהיר במרכז לחומרים ננומטריים, מתקן למשתמש של משרד ה-DOE Office of Science ב-Argonne. הם פיתחו טכניקת מיקרוסקופיה חדשה המשתמשת בפולסים חשמליים כדי לצפות בדינמיקה של ננו-שניות בתוך חומר שידוע כיוצר גלי צפיפות מטען בטמפרטורת החדר. החומר הזה הוא טנטלום גופרתי המכונה 1T-TaS2.
הצוות בדק פתית של סולפיד זה עם שתי אלקטרודות מחוברות ליצירת פולסים חשמליים. במהלך פולסים קצרים חשבו שהשדה או הזרמים החשמליים הגבוהים שנוצרו עשויים להניע את מיתוג ההתנגדות. אבל שתי תצפיות ממיקרוסקופ האלקטרונים האולטרה-מהיר שינו את ההבנה הזו.
דפוסי עקיפה שנלכדו לפני ואחרי דופק חשמלי של 20 ננו שניות. התבנית בצורת כוכב של כתמים לבנים קטנים, משמאל, תואמת את דפוס גל צפיפות המטען הראשוני, שנמס זמנית על ידי החום מהפולס החשמלי, מימין. קרדיט: Argonne National Laboratory
ראשית, גלי צפיפות המטען נמסו בתגובה לחום שנוצר מהזרם המוזרק ולא מזרם המטען עצמו, אפילו במהלך פולסים של ננו-שניות. שנית, הפולסים החשמליים גרמו לתנודות דמויות תוף על פני החומר, מה שהרעיד את סידור הגלים.
"הודות לטכניקה החדשה הזו, קבענו את שתי הדרכים שלא נצפו בעבר שבהן חשמל יכול לתמרן את מצב גלי צפיפות המטען", אמר דניאל דורהאם, חוקר פוסט-דוקטורט ב-Argonne. "ותגובת ההיתוך מחקה את האופן שבו נוירונים מופעלים במוח, בעוד שתגובת הרטט יכולה ליצור אותות ירי דמוי נוירון ברשת עצבית."
מחקר זה מדגים גישה חדשה לבחינת סוגים אלה של תהליכי מיתוג חשמלי. שיטת מיקרוסקופיה אלקטרונית אולטרה-מהירה זו מאפשרת לחוקרים לראות כיצד חומרים מיקרו-אלקטרוניים מתפקדים ננומטרי אורכים ומהירויות ננו-שניות.
השאיפה לעבר התקנים מיקרואלקטרוניים קטנים, מהירים ויעילים יותר מייצרת חומר כמו 1T-TaS2 מוֹשֵׁך. והיכולת שלו להיווצר כשכבה ננומטרית הופכת אותו גם למושך עבור מכשירים כאלה.
טכניקה חדשה זו הניבה תוצאות עם יישומים רחבים למיקרו-אלקטרוניקה חסכונית באנרגיה, לדברי Charudatta Phatak, מדען חומרים וסגן מנהל חטיבה ב-Argonne.
"הבנת המנגנונים הבסיסיים של האופן שבו אנו יכולים לשלוט על גלי צפיפות המטען הללו חשובה מכיוון שניתן ליישם זאת על חומרים אחרים כדי לשלוט בתכונותיהם", אמר Phatak.
מחקר זה פורסם ב מכתבי סקירה פיזית.
מלבד דורהאם ופאטק, בין המחברים ניתן למצוא את תומאס גייג', קונור הורן, שוידאן מא, הייווא ליו, אילק ארסלן וסופרטיק גוהא. להורן ולגוהא יש פגישות משותפות ב- אוניברסיטת שיקגו.
עבודה זו נתמכה על ידי הקריאה של משרד המדע של DOE למחקר מיקרואלקטרוניקה.
