Надшвидка «камера» фіксує приховану поведінку потенційного «нейроморфного» матеріалу

Надшвидка «камера» фіксує приховану поведінку потенційного «нейроморфного» матеріалу


Yimei Zhu та Junjie Li на приладі для дифракції надшвидких електронів на 3 МеВ у Брукхейвенській національній лабораторії для випробування прискорювача. Цей інструмент діє як стробоскопічна «камера» високої роздільної здатності для відстеження траєкторій атомів. Авторство: Брукхейвенська національна лабораторія

Уявіть собі комп’ютер, який може мислити так само швидко, як людський мозок, використовуючи дуже мало енергії. Це мета вчених, які прагнуть виявити або розробити матеріали, які можуть передавати й обробляти сигнали так само легко, як нейрони та синапси мозку. Ідентифікація квантових матеріалів із внутрішньою здатністю перемикатися між двома різними формами (або більше) може стати ключем до цих футуристичних «нейроморфних» обчислювальних технологій.

У статті, щойно опублікованій в журналі Фізичний огляд X, Їмей Чжу, фізик з Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE), та його співробітники описують дивовижні нові подробиці про діоксид ванадію, одного з найбільш перспективних нейроморфних матеріалів. Використовуючи дані, зібрані унікальною «стробоскопічною камерою», команда зняла приховану траєкторію руху атома, коли цей матеріал переходить від ізолятора до металу у відповідь на імпульс світла. Їхні висновки можуть допомогти в раціональному проектуванні високошвидкісних та енергоефективних нейроморфних пристроїв.

«Один із способів зменшити споживання енергії в штучних нейронах і синапсах для обчислень, які надихають мозок, — це використовувати яскраво виражені нелінійні властивості квантових матеріалів», — сказав Чжу. «Основна ідея цієї енергоефективності полягає в тому, що в квантових матеріалах невеликий електричний стимул може викликати велику реакцію, яка може бути електричною, механічною, оптичною або магнітною через зміну стану матеріалу».

«Діоксид ванадію — один з рідкісних дивовижних матеріалів, який став перспективним кандидатом на створення нейроміметичних біоінспірованих пристроїв», — сказав він. Він демонструє перехід ізолятор-метал поблизу кімнатної температури, при якому невелика напруга або струм може викликати значну зміну питомого опору з перемиканням, яке може імітувати поведінку як нейронів (нервових клітин), так і синапсів (зв’язків між ними).

«Він переходить від повністю ізоляційного, як гума, до дуже хорошого металевого провідника зі зміною питомого опору в 10 000 разів або більше», — сказав Чжу.

Ці два дуже різні фізичні стани, притаманні одному матеріалу, можуть бути закодовані для когнітивних обчислень.

Візуалізація надшвидких атомних рухів

Для своїх експериментів вчені запустили перехід за допомогою надзвичайно коротких імпульсів фотонів — частинок світла. Потім вони зафіксували реакцію матеріалу в атомному масштабі за допомогою приладу для дифракції надшвидких електронів (MeV-UED), розробленого в Брукхейвені.

Ви можете вважати цей інструмент схожим на звичайну камеру з відкритим затвором у темному режимі, який виконує переривчасті спалахи, щоб зловити щось на зразок кинутого м’яча в русі. З кожним спалахом камера записує зображення; серія зображень, зроблених у різний час, показує траєкторію м’яча в польоті.

Надшвидка «камера» фіксує приховану поведінку потенційного «нейроморфного» матеріалу

Це уявлення про кристалічну решітку діоксиду ванадію в його стаціонарних станах показує положення атомів ванадію у фазі ізолятора (суцільні помаранчеві сфери) і металевій фазі (порожнисті червоні сфери). Вставка: світловий імпульс (фотон) запускає двоступеневий фазовий перехід від ізолятора до металу, де рух атомів ванадію на першому етапі є лінійним, а потім викривленим на другому етапі. Цей викривлений рух свідчить про те, що інша сила (що діє від електронів, що обертаються навколо атомів ванадію) також відіграє роль у переході. Авторство: Брукхейвенська національна лабораторія

«Стробоскоп» MeV-UED фіксує динаміку рухомого об’єкта подібним чином, але в набагато швидшому масштабі часу (коротше однієї трильйонної секунди) і на набагато меншому масштабі довжини (менше однієї мільярдної міліметра). ). Він використовує електрони високої енергії, щоб виявити траєкторії атомів.

«Попередні статичні вимірювання показали лише початковий і кінцевий стан переходу ізолятора діоксиду ванадію до металу, але детальний процес переходу був відсутній», — сказав Джуньцзе Лі, перший автор статті. «Наші надшвидкі вимірювання дозволили нам побачити, як рухаються атоми, щоб уловити короткочасні перехідні (або «приховані») стани, щоб допомогти нам зрозуміти динаміку переходу».

Самі по собі фотографії не розповідають всієї історії. Зробивши понад 100 000 «знімків», вчені використали складні методи кристалографічного аналізу з роздільною здатністю у часі, які вони розробили, щоб уточнити зміни інтенсивності кількох десятків «піків дифракції електронів». Це сигнали, які виробляються електронами, що розсіюються на атомах зразка діоксиду ванадію, коли атоми та їх орбітальні електрони переходять із стану ізолятора в металевий стан.

«Наш прилад використовує прискорювальну технологію для генерування електронів з енергією 3 МеВ, що в 50 разів вище, ніж у менших лабораторних приладах для надшвидкої електронної мікроскопії та дифракції», – сказав Чжу. «Вища енергія дозволяє нам відстежувати електрони, розсіяні під більшими кутами, що означає можливість «бачити» рух атомів на менших відстанях з кращою точністю».

Двоступенева динаміка і кривий шлях

Аналіз виявив, що перехід відбувається у два етапи, причому другий етап є більш тривалим і меншим за швидкістю, ніж перший. Це також показало, що траєкторії руху атомів на другому етапі не були лінійними.

«Можна подумати, що траєкторія від позиції A до B буде прямою лінією — найкоротшою відстанню. Натомість це була крива. Це було абсолютно несподівано», — сказав Чжу.

Крива була ознакою того, що існує інша сила, яка також відіграє роль у переході.

Згадайте стробоскопічні зображення траєкторії м’яча. Коли ви кидаєте м’яч, ви прикладаєте силу. Але інша сила, гравітація, також тягне м’яч до землі, викликаючи вигин траєкторії.

Надшвидка «камера» фіксує приховану поведінку потенційного «нейроморфного» матеріалу

Ця анімація показує зміну положень атомів ванадію, коли діоксид ванадію перемикається між ізоляційним і металевим станами. Це швидке перемикання може бути викликане крихітним подразником і змінює електричний опір матеріалу в 10 000 разів або більше — усі багатообіцяючі властивості для енергоефективних нейроморфних застосувань. Авторство: Брукхейвенська національна лабораторія

У випадку діоксиду ванадію світловий імпульс є силою, яка викликає перехід, а кривизна в траєкторіях атомів спричинена електронами, які обертаються навколо атомів ванадію.

Дослідження також показало, що міра, пов’язана з інтенсивністю світла, що використовується для запуску атомної динаміки, може змінити атомні траєкторії — подібно до того, як сила, яку ви прикладаєте до м’яча, може впливати на його шлях. Коли сила достатньо велика, будь-яка система (куля або атоми) може подолати конкуруючу взаємодію, щоб досягти майже лінійного шляху.

Щоб перевірити та підтвердити свої експериментальні висновки та подальше розуміння атомної динаміки, команда також провела розрахунки молекулярної динаміки та теорії функціоналу щільності. Ці дослідження моделювання допомогли їм розшифрувати кумулятивний вплив сил, щоб відстежити, як структури змінювалися під час переходу, і надали знімки атомних рухів із дозволом у часі.

У статті описано, як комбінація теорії та експериментальних досліджень надала детальну інформацію, включаючи те, як «димери» ванадію (зв’язані пари атомів ванадію) розтягуються та обертаються з часом під час переходу. Дослідження також успішно вирішують деякі давні наукові питання про діоксид ванадію, включаючи існування проміжної фази під час переходу ізолятор-метал, роль теплового нагрівання, викликаного фотозбудженням, та походження неповних переходів при фотозбудженні.

Це дослідження проливає нове світло на розуміння вченими того, як фотоіндукована електронна та ґраткова динаміка впливає на цей конкретний фазовий перехід, а також має допомогти продовжити еволюцію обчислювальних технологій.

Коли справа доходить до створення комп’ютера, який імітує людський мозок, Чжу сказав: «Нам ще попереду довгий шлях, але я думаю, що ми на правильному шляху».


Ідентичність перемикання: революційний матеріал, схожий на ізолятор, також проводить електрику


Більше інформації:
Junjie Li та ін., Пряме виявлення динамічних шляхів димеризації та обертання атома VV при надшвидкому фотозбудженні в VO2, Фізичний огляд X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021032

Надано Брукхейвенською національною лабораторією

Цитування: Ультрашвидка «камера» фіксує приховану поведінку потенційного «нейроморфного» матеріалу (2022 р., 9 травня), отримано 11 травня 2022 р. із https://phys.org/news/2022-05-ultrafast-camera-captures-hidden-behavior.html

Цей документ є об’єктом авторського права. За винятком будь-яких чесних відносин з метою приватного вивчення або дослідження, жодна частина не може бути відтворена без письмового дозволу. Вміст надається виключно в інформаційних цілях.





Source link

Залишити коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.