Ultraschnelle „Kamera“ erfasst verborgenes Verhalten potenzieller „neuronaler“ Materialien

Yimei Zhu und Junjie Li am ultraschnellen 3-MeV-Elektronenbeugungsinstrument in der Accelerator Test Facility des Brookhaven National Laboratory. Dieses Instrument wirkt wie eine hochauflösende stroboskopische “Kamera”, um die Flugbahnen von Atomen zu verfolgen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Stellen Sie sich einen Computer vor, der mit der gleichen Geschwindigkeit denken kann wie das menschliche Gehirn und dabei sehr wenig Energie verbraucht. Dies ist das Ziel von Wissenschaftlern, die Materialien entdecken oder entwickeln wollen, die Signale wie Neuronen und Synapsen im Gehirn leicht übertragen und verarbeiten können. Die Identifizierung von Quantenmaterialien mit der intrinsischen Fähigkeit, zwischen zwei (oder mehr) unterschiedlichen Formen umzuschalten, könnte der Schlüssel zu zukünftigen „neuronalen“ Computertechnologien sein.

In einem Artikel, der gerade in der Zeitschrift erschienen ist physische x-Überprüfung, Yimei Zhu, Physiker am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, und Kollegen beschreiben überraschende neue Details über Vanadiumdioxid, eines der vielversprechendsten neuroaktiven Materialien. Unter Verwendung von Daten, die von einer einzigartigen „stroboskopischen Kamera“ gesammelt wurden, erfasste das Team den verborgenen Pfad der atomaren Bewegung, während sich dieses Material als Reaktion auf einen Lichtimpuls vom Isolator zum Metall bewegt. Ihre Ergebnisse könnten dabei helfen, das rationale Design von energieeffizienten neuronalen Hochgeschwindigkeitsgeräten zu lenken.

„Eine Möglichkeit, den Stromverbrauch künstlicher Neuronen und Synapsen für gehirninspiriertes Computing zu reduzieren, besteht darin, die offensichtlichen nichtlinearen Eigenschaften von Quantenmaterialien auszunutzen“, sagte Zhou. „Die Hauptidee hinter dieser Energieeffizienz ist, dass in Quantenmaterialien ein kleiner elektrischer Stimulus eine große Reaktion hervorrufen könnte, die elektrisch, mechanisch, optisch oder magnetisch sein könnte, indem er den Zustand der Materie ändert.“

Er sagte: „Vanadiumdioxid ist eines der seltenen und überraschenden Materialien, das sich als vielversprechender Kandidat für von biologischen Neuromimetika inspirierte Geräte herauskristallisiert hat.“ Es zeigt einen Isolator-Metall-Übergang nahe Raumtemperatur, bei dem eine kleine Spannung oder ein kleiner Strom beim Schalten eine große Widerstandsänderung erzeugen kann, die das Verhalten von Neuronen (Neuronen) und Synapsen (den Verbindungen zwischen ihnen) nachahmen kann.

„Es geht von einem perfekt isolierenden Material – wie Gummi – zu einem sehr guten metallischen Leiter mit einer Widerstandsänderung von 10.000 Mal oder mehr“, sagte Chu.

Diese beiden völlig unterschiedlichen physikalischen Zustände, die im selben Material verwurzelt sind, können für Cognitive Computing kodiert werden.

Visualisieren Sie ultraschnelle Atombewegungen

Für ihre Experimente befeuerten die Wissenschaftler die Übertragung mit extrem kurzen Pulsen von Photonen – Lichtteilchen. Anschließend erfassten sie die Reaktion der atomaren Materie mit dem in Brookhaven entwickelten Instrument für ultraschnelle Elektronenbeugung (MeV-UED).

Sie können sich dieses Werkzeug ähnlich wie eine herkömmliche Kamera vorstellen, bei der der Verschluss an einem dunklen Ort offen bleibt und intermittierende Blitze abfeuert, um so etwas wie einen sich bewegenden Ball einzufangen. Bei jedem Blitz nimmt die Kamera ein Bild auf; Eine Reihe von Fotografien, die zu verschiedenen Zeiten aufgenommen wurden, zeigen die Flugbahn des Balls.

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Diese Darstellung des Kristallgitters von stationärem Vanadiumdioxid zeigt die Positionen der Vanadiumatome in der Isolatorphase (volle orangefarbene Kugeln) und der Metallphase (hohle rote Kugeln). Einschub: Ein Lichtimpuls (Photon) verursacht einen zweistufigen Übergang vom Isolator zum Metall, wobei die Bewegung der Vanadiumatome in der ersten Stufe linear ist und sich in der zweiten biegt. Diese gekrümmte Bewegung ist ein Beweis dafür, dass eine andere Kraft (ausgeübt von Elektronen, die die Vanadiumatome umkreisen) ebenfalls eine Rolle bei dem Übergang spielt. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Das MeV-UED-„Stroboskop“ erfasst die Dynamik eines sich bewegenden Objekts auf ähnliche Weise, jedoch auf einer viel schnelleren Zeitskala (kürzer als eine Billionstel Sekunde) und einer viel kleineren Längenskala (kleiner als ein Milliardstel Millimeter). . Es verwendet hochenergetische Elektronen, um die Flugbahnen von Atomen zu erkennen.

„Frühere statische Messungen zeigten den Anfangs- und Endzustand des Isolator-zu-Metall-Übergangs von Vanadiumdioxid, aber ein detaillierter Übergangsprozess fehlte“, sagte Junjie Li, Erstautor der Veröffentlichung. „Unsere ultraschnellen Messungen haben es uns ermöglicht, zu sehen, wie sich Atome bewegen – um kurzlebige (oder „versteckte“) Übergangszustände zu erfassen, die uns helfen, die Dynamik des Übergangs zu verstehen.“

Bilder allein erzählen nicht die ganze Geschichte. Nach der Aufnahme von über 100.000 “Schüssen” verwendeten die Wissenschaftler komplexe, zeitaufgelöste kristallographische Techniken, die sie entwickelt hatten, um die Intensitätsvariationen von einigen Dutzend “Elektronenbeugungsspitzen” fein abzustimmen. Dies sind die Signale, die von den gestreuten Elektronen von den Atomen der Vanadiumdioxidprobe erzeugt werden, wenn sich die Atome und ihre Orbitalelektronen vom Isolatorzustand in den metallischen Zustand bewegen.

„Unser Instrument verwendet Beschleunigungstechnologie, um Elektronen mit einer Energie von 3 Megaelektronenvolt zu erzeugen, was 50-mal höher ist als die von ultraschnellen und Beugungs-Elektronenmikroskopie-Instrumenten“, sagte Zhou. „Die höhere Energie ermöglicht es uns, in größeren Winkeln gestreute Elektronen zu verfolgen, was bedeutet, dass wir die Bewegungen von Atomen in kleineren Abständen mit besserer Genauigkeit ‚sehen‘ können.“

Zweistufige Dynamik und gekrümmte Flugbahn

Die Analyse zeigte, dass der Übergang in zwei Phasen erfolgt, wobei die zweite Phase länger andauert und langsamer ist als die erste. Es zeigte sich auch, dass die Bahnen der Bewegungen der Atome in der zweiten Stufe nicht linear waren.

„Man könnte meinen, der Weg von Position A nach B wäre eine gerade Linie – die kürzestmögliche Distanz”, sagte Chu. „Stattdessen war es eine Kurve. Das war völlig unerwartet.”

Die Kurve deutete auf eine andere Kraft hin, die ebenfalls eine Rolle beim Übergang spielte.

Denken Sie noch einmal an die stroboskopischen Bilder der Bahn des Balls. Wenn du den Ball wirfst, übst du Kraft aus. Aber auch eine andere Kraft, die Schwerkraft, zieht den Ball zu Boden, wodurch sich die Flugbahn krümmt.

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Diese Animation zeigt die Änderung der Positionen der Vanadiumatome, wenn Vanadiumdioxid zwischen dem dielektrischen und dem metallischen Zustand wechselt. Diese schnelle Transformation kann durch kleine Reize ausgelöst werden und den elektrischen Widerstand des Materials um das 10.000-fache oder mehr verändern – alles vielversprechende Eigenschaften für Anwendungen von energieeffizienten Neuromorphen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory

Im Fall von Vanadiumdioxid ist der Lichtimpuls die Kraft, die den Übergang antreibt, und die Biegung der Atombahnen wird durch Elektronen verursacht, die um die Vanadiumatome kreisen.

Die Studie zeigte auch, dass ein Maß für die Lichtintensität, das zur Stimulierung der atomaren Dynamik verwendet wird, atomare Flugbahnen verändern kann – ähnlich wie die Kraft, die Sie auf einen Ball ausüben, seine Flugbahn beeinflusst. Wenn die Kraft groß genug ist, kann jedes System (die Kugel oder die Atome) die konkurrierende Wechselwirkung überwinden, um einen engen linearen Pfad zu erreichen.

Um ihre experimentellen Ergebnisse zu verifizieren und zu bestätigen und die Atomdynamik besser zu verstehen, führte das Team auch Berechnungen zur Molekulardynamik und Dichtefunktionaltheorie durch. Diese Modellierungsstudien halfen ihnen, die kumulativen Wirkungen von Kräften zu entschlüsseln, um zu verfolgen, wie sich Strukturen während des Übergangs veränderten, und lieferten zeitaufgelöste Momentaufnahmen atomarer Bewegungen.

Das Papier beschreibt, wie die Kombination aus Theorie und experimentellen Studien detaillierte Informationen lieferte, einschließlich der Frage, wie sich „Vanadiumdioden“ (verknüpfte Paare von Vanadiumatomen) während des Übergangs mit der Zeit ausdehnen und drehen. Die Forschung befasste sich auch erfolgreich mit einigen der alten wissenschaftlichen Fragen zu Vanadiumdioxid, darunter das Vorhandensein einer Zwischenphase während des Isolator-zu-Metall-Übergangs, die Rolle der durch Lichtanregung induzierten thermischen Denaturierung und der Ursprung unvollständiger Übergänge unter Photokatalyse.

Diese Studie wirft ein neues Licht auf das Verständnis der Wissenschaftler darüber, wie photoinduzierte elektronische und Gitterdynamiken diesen speziellen Phasenübergang beeinflussen – und sollte auch dazu beitragen, die Entwicklung der Computertechnologie voranzutreiben.

In Bezug auf die Herstellung eines Computers, der das menschliche Gehirn nachahmt, sagte Chu: „Wir haben noch einen langen Weg vor uns, aber ich denke, wir sind auf dem richtigen Weg.“


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Mehr Informationen:
Junjie Li et al, Direkter Nachweis der VV-Atomverteilung und dynamische Flugbahnen des Spins bei ultraschneller Photoanregung in VO2, X. Körperliche Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/ PhysRevX.12.021032

Bereitgestellt vom Brookhaven National Laboratory

das Zitat: Ultrafast ‘camera’ captures hidden behavior of potential ‘neural’ material (2022, 9. Mai) Abgerufen am 10. Mai 2022 von https://phys.org/news/2022-05-ultrafast-camera-captures-hidden-behavior . html

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