Današnji superkompjuteri troše ogromne količine energije, što je ekvivalentno potrošnji energije u hiljadama domova. Kao odgovor, istraživači razvijaju energetski efikasniji oblik superračunarstva sledeće generacije koji koristi veštačke neuronske mreže.
Ove mreže oponašaju procese neurona, osnovne jedinice u ljudskom mozgu. Ova mimikrija se može postići kroz talase gustine naelektrisanja koji se javljaju u određenim materijalima. Talasi gustine naelektrisanja su talasasti obrasci elektrona – negativno naelektrisanih čestica – koji se kreću na korelirani način.
Talasi gustine naelektrisanja povećavaju otpor kretanju elektrona u materijalu. Sposobnost kontrole talasa mogla bi da obezbedi brzo uključivanje i isključivanje otpora. Ovo svojstvo bi se zatim moglo iskoristiti za energetski efikasnije računarstvo, kao i za ultraprecizno sensing. Međutim, nije jasno kako dolazi do procesa prebacivanja, posebno imajući u vidu da se talasi menjaju iz jednog stanja u drugo u roku od 20 milijarditih delova sekunde.
Istraživači iz Nacionalne laboratorije Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE) pronašli su novi način proučavanja ovih talasa. Da bi to uradili, obratili su se ultrabrzim elektronskom mikroskopu u Centru za materijale nanorazmera, korisničkom objektu DOE Kancelarije za nauku u Argonu. Razvili su novu tehniku mikroskopije koja koristi električne impulse za posmatranje nanosekundne dinamike unutar materijala za koji je poznato da formira talase gustine naelektrisanja na sobnoj temperaturi. Taj materijal je tantal sulfid koji se naziva 1T-TaS 2 .
Tim je testirao pahuljicu ovog sulfida sa dve elektrode pričvršćene za generisanje električnih impulsa. Tokom kratkih impulsa, smatralo se da bi rezultujuće visoko električno polje ili struje mogle pokrenuti prebacivanje otpora. Ali dva zapažanja ultrabrzog elektronskog mikroskopa promenila su ovo shvatanje.
Prvo, talasi gustine naelektrisanja su se topili kao odgovor na toplotu koju generiše ubrizgana struja, a ne sama struja punjenja, čak i tokom nanosekundnih impulsa. Drugo, električni impulsi su izazvali vibracije nalik bubnju na materijalu, što je ljuljalo raspored talasa.
„Zahvaljujući ovoj novoj tehnici utvrdili smo ova dva prethodno nezapažena načina na koja električna energija može da manipuliše stanjem talasa gustine naelektrisanja“, rekao je Daniel Durham, postdoktorski istraživač u Argonneu. „I odgovor na topljenje oponaša kako se neuroni aktiviraju u mozgu, dok bi vibracioni odgovor mogao da generiše signale poput neurona u neuronskoj mreži.“
Ova studija demonstrira novi pristup ispitivanju ovih tipova električnih komutacionih procesa. Ova ultrabrza metoda elektronske mikroskopije omogućava istraživačima da posmatraju kako mikroelektronski materijali funkcionišu na nanorazmernim dužinama i nanosekundnim brzinama.
Težnja ka manjim, bržim i efikasnijim mikroelektronskim uređajima čini materijal poput 1T-TaS 2 atraktivnim. A njegova sposobnost da se formira kao sloj nanorazmera takođe ga čini privlačnim za takve uređaje.
Ova nova tehnika je dala rezultate sa širokom primenom na energetski efikasnu mikroelektroniku, kaže Charudatta Phatak, naučnik o materijalima i zamenik direktora odeljenja u Argonneu.
„Razumevanje osnovnih mehanizama kako možemo da kontrolišemo ove talase gustine naelektrisanja je važno jer se to može primeniti na druge materijale kako bi se kontrolisala njihova svojstva“, rekao je Phatak.
