“Las supercomputadoras y los centros de datos actuales demandan muchos megavatios de electricidad”, dijo Haidan Wen, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). “Uno de los desafíos es encontrar materiales para una microelectrónica energéticamente más eficiente. Un candidato prometedor es un material ferroeléctrico que pueda usarse como componente en una microelectrónica energéticamente eficiente para redes neuronales artificiales”.
Los materiales ferroeléctricos se pueden encontrar en una variedad de dispositivos de procesamiento de información, como memorias de computadora, transistores, sensores y actuadores. Los investigadores de Argonne han informado de un comportamiento adaptativo sorprendente en un material ferroeléctrico que puede progresar paso a paso hasta el final deseado, dependiendo de la cantidad de fotones de los pulsos de luz que inciden en el material. Junto a los investigadores de Argonne trabajaron científicos de la Universidad Rice, la Universidad Estatal de Pensilvania y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.
El contenido de este equipo está lleno de islas o dominios conectados en red que están separados como aceite en el agua. Estos dominios tienen un tamaño de nanómetros (millonésimas de metro) y pueden reorganizarse en respuesta a pulsos de luz. Este comportamiento adaptativo se puede utilizar en el movimiento de información energéticamente eficiente en microelectrónica.
La muestra ferroeléctrica del equipo está construida como un sándwich de capas alternas de titanato de plomo y estroncio. Desarrollado por colegas de la Universidad Rice, este sándwich de siete capas es 1.000 veces más delgado que una hoja de papel. Anteriormente, el equipo había proyectado un único e intenso pulso de luz sobre una muestra y había creado estructuras ordenadas uniformes a nanoescala.
“Esta vez, golpeamos la muestra con muchos pulsos de luz débiles, cada uno de los cuales duró aproximadamente un cuarto de segundo”, dijo Wynn. “Como resultado, dependiendo de la dosis óptica, se creó y obtuvo imágenes de una familia de estructuras de dominio, en lugar de una sola estructura”.
Para observar la respuesta a nanoescala, el equipo recurrió a la Nanoprobe (línea de haz 26-ID) operada por el Centro de Materiales a Nanoescala y la Fuente Avanzada de Fotones (APS). Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Con la nanosonda, un haz de rayos X de decenas de nanómetros de diámetro escaneó la muestra mientras era expuesta a una andanada de pulsos de luz ultrarrápidos.
Las imágenes resultantes muestran que los nanodominios en red se forman, borran y remodelan mediante pulsos de luz. Las regiones y los límites de estos dominios se desarrollaron y reorganizaron desde 10 nanómetros de longitud (unas 10.000 veces más pequeños que un cabello humano) hasta 10 micrómetros, aproximadamente el tamaño de una gota de nube. El producto final depende de la cantidad de pulsos de luz utilizados para excitar la muestra.
“Al acoplar un láser ultrarrápido a la línea de luz de la nanosonda, podemos iniciar y controlar cambios en los nanodominios en red con pulsos de luz, sin tener que mover la nanosonda”, dijo el científico y líder del grupo de microscopía electrónica y de rayos X, Martin Holt. “.
La muestra comienza como una disposición de nanodominios similar a una telaraña y, al ser perturbada por pulsos de luz, la red se rompe y forma configuraciones completamente nuevas que se asemejan a una red adaptativa que funciona al servicio de un fin deseado.
“Hemos descubierto una disposición completamente nueva de estos nanodominios”, afirmó Stefan Herszczewz, físico de Argonne y líder del grupo. “La puerta ahora está abierta a muchos más descubrimientos. En el futuro podremos probar diferentes sistemas de estimulación luminosa y observar aún más nanodominios y redes desconocidos”. Las recientes actualizaciones del APS mejorarán enormemente la capacidad de visualizar cambios a nanoescala con el tiempo, prometiendo haces de rayos X 500 veces más brillantes.
Con este importante descubrimiento de cambios dependientes del tiempo en nanodominios en red, los desarrolladores están en camino de crear redes adaptativas para el almacenamiento y procesamiento de información. Estos desarrollos prometen crear sistemas informáticos más eficientes energéticamente.
Esta investigación se basa en una tesis. Contenido avanzado. Además de Wayne, Holt y Herszkiewicz, los autores incluyen a Mark Zajac, Tao Tzu, Tianan Yang, Sujit Das, Yu Kao, Brock Guzel-Truck, Vladimir Stoica, Matthew Chirokara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamurthy Ramesh, Long Q. Martin y Long Q están incluidos. Mentón
La financiación para la investigación provino de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.
