لقطات من التحويل فائق السرعة في الإلكترونيات الكمومية تؤدي إلى أجهزة كمبيوتر سريعة

يأخذ العلماء اللقطات الأولى للتحول فائق السرعة على جهاز إلكتروني كمومي

يكتشفون الظروف قصيرة المدى التي تؤدي إلى أجهزة كمبيوتر أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

تحتوي الدوائر الإلكترونية التي تحسب وتخزن المعلومات على ملايين المفاتيح الصغيرة التي تتحكم في تدفق الكهرباء. سيساعد الفهم الأعمق لكيفية عمل هذه المفاتيح الصغيرة الباحثين على دفع حدود الحوسبة الحديثة.

قام العلماء الآن بعمل اللقطات الأولى للذرات التي تتحرك داخل أحد تلك المفاتيح عند تشغيلها وإيقافها. من بين أمور أخرى ، اكتشفوا موقعًا قصير المدى داخل المفتاح يمكن استخدامه يومًا ما لأجهزة الكمبيوتر الأسرع والأكثر قوة.

يصف مختبر المسرع الوطني SLIC التابع لوزارة الطاقة عملهم في دراسة نشرتها مجموعة دراسة من جامعة ستانفورد ومختبرات Hewlett Packard وجامعة Ben State وجامعة Burdock علم اليوم (15 يوليو 2021).

يقول جيجي وانج ، عالم ومتعاون في SLAC: “هذا البحث هو تقدم في التكنولوجيا والعلوم فائقة السرعة”. “هذه هي المرة الأولى التي يستخدم فيها الباحثون حيود الإلكترون فائق السرعة ، والذي يمكنه اكتشاف الحركات الذرية الصغيرة في جسم ما عن طريق تشتيت حزمة قوية من الإلكترونات من عينة ، والتي يمكن مراقبتها أثناء تشغيل جهاز إلكتروني.”

لتشغيل وإيقاف المفاتيح المخصصة عدة مرات ، استخدمت اللوحة نبضات الطاقة الموضحة باللون الأزرق. جاءت هذه النبضات قبل نبضات الإلكترون التي تنتجها MV-UED عن طريق حيود الإلكترون فائق السرعة في SLIC ، والتي تم التقاطها عند تشغيل وإيقاف الحركات الذرية داخل هذه المفاتيح. الائتمان: Greg Stewart / SLIC National Accelerator Laboratory

يلتقط الدورة

بالنسبة لهذا الاختبار ، يمكن استخدام المفاتيح الإلكترونية المصغرة المصممة خصيصًا للوحة ، وهي كائن كمي نموذجي ، قادر على التبديل ذهابًا وإيابًا بين الحالات الموصلة والكهربائية بالقرب من درجة حرارة الغرفة كمفتاح لجهاز الكمبيوتر المستقبلي. تحتوي هذه المادة أيضًا على تطبيقات في الحوسبة المستوحاة من الدماغ نظرًا لقدرتها على إنشاء نبضات إلكترونية تحاكي المنبهات العصبية التي يتم إطلاقها في الدماغ البشري.

استخدم الباحثون نبضات كهربائية لتبديل هذه المفاتيح ذهابًا وإيابًا بين حالة العزل وحالة التشغيل ، مع أخذ لقطات أكثر من جزء من المليار من الثانية تظهر تغييرات طفيفة في ترتيب ذراتهم. تم تجميع هذه اللقطات التي تم التقاطها بكاميرا حيود الإلكترون فائقة السرعة من SLAC ، MeV-UED ، معًا لتشكيل فيلم جزيئي للحركات الذرية.

https://www.youtube.com/watch؟v=P3qQxiyZVoA
تناقش الباحثة الرائدة أديتيا سود بحثًا جديدًا يمكن أن يؤدي إلى فهم أفضل لكيفية عمل المفاتيح الصغيرة داخل الدوائر الإلكترونية. الائتمان: Oliver Bonin / SLIC National Accelerator Laboratory

سليك وأستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة ستانفورد. “في الوقت نفسه ، يقيس كيف تتغير الخصائص الإلكترونية لكائن بمرور الوقت.”

باستخدام هذه الكاميرا ، اكتشف الفريق موقعًا جديدًا وسيطًا. يتم إنشاؤه عندما تستجيب المادة لنبضة كهربائية عن طريق التبديل من موصل إلى موصل.

قال الباحث والمتعاون في SLAC شياو شين: “الدول العازلة والتشغيل لديها ترتيبات نووية مختلفة قليلاً وتتطلب عمومًا الطاقة للانتقال من واحدة إلى أخرى”. “ولكن عندما يحدث التغيير خلال هذه المرحلة المتوسطة ، يمكن أن يحدث التبديل دون أي تغييرات في الترتيب الذري.”

يفتح نافذة على الحركة النووية

على الرغم من أن المستوى المتوسط ​​لا يتجاوز بضعة أجزاء من المليون من الثانية ، إلا أنه يتم تأكيده من خلال عيوب الكائن.

بعد هذا البحث ، يستكشف الفريق كيفية إنشاء هذه العيوب في المواد لجعل هذه الحالة الجديدة أكثر استقرارًا واستمرارية. سيسمح لهم ذلك بإنشاء أجهزة يمكن تشغيلها إلكترونيًا دون أي حركة نووية ، والتي ستعمل بشكل أسرع وتتطلب طاقة أقل.

قال سريرام راماناثان ، الأستاذ المتعاون في بوردو: “تظهر النتائج قوة التحويل الكهربائي على مدى ملايين الدورات وتحدد الحدود المحتملة لسرعة التحويل لمثل هذه الأجهزة”. “يوفر البحث بيانات قيمة عن الأحداث المجهرية التي تحدث أثناء عمليات الجهاز ، والتي ستكون مهمة في تصميم نماذج الدوائر في المستقبل.”

يوفر هذا البحث أيضًا طريقة جديدة لدمج المواد التي لا تخضع لظروف طبيعية ، مما يسمح للعلماء بمراقبتها في مقاييس زمنية فائقة السرعة ثم تعديل خصائصها.

قال Aditya Sood ، المؤلف الرئيسي وباحث SIMES: “تمنحنا هذه الطريقة طريقة جديدة لرؤية الأجهزة أثناء عملها ، وفتح نافذة لنرى كيف تتحرك الذرات”. “إنه لأمر مثير أن تجمع الأفكار من المجالات المختلفة تقليديًا للهندسة الكهربائية والعلوم فائقة السرعة. سيمكننا نهجنا من تطوير الجيل التالي من الأجهزة الإلكترونية التي يمكنها تلبية الاحتياجات المتزايدة في العالم للحوسبة الذكية كثيفة البيانات. “

MeV-UED هي أداة لمنشأة مستخدم LCLS ، مدعومة من SLAC نيابة عن مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ، الذي مول هذا البحث.

SLAC هو مختبر متعدد البرامج نابض بالحياة يستكشف كيفية عمل الكون على المقاييس الأكبر والأصغر والأسرع ويكتشف الأدوات القوية التي يستخدمها العلماء في جميع أنحاء العالم. من خلال البحث في فيزياء الجسيمات وعلم الفلك وعلم الكونيات والمواد والكيمياء وعلوم الحياة والطاقة والحوسبة العلمية ، نساعد في حل مشاكل العالم الحقيقي وتعزيز مصالح الأمة.

يتم تشغيل SLIC من قبل جامعة ستانفورد لمكتب علوم الطاقة الأمريكية. يعد مكتب العلوم أكبر داعم للبحث الأساسي في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ويشارك في جهود لمواجهة بعض أهم التحديات في عصرنا.