La ‘cámara’ ultrarrápida captura el comportamiento oculto del material potencial ‘neuromorfo’

Yimei Zhu y Junjie Li en el instrumento de difracción de electrones ultrarrápidos de 3 MeV en las instalaciones de pruebas de aceleradores del Laboratorio Nacional de Brookhaven. Este instrumento actúa como una “cámara” estroboscópica de alta resolución para seguir las trayectorias de los átomos. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Imagine una computadora que pueda pensar tan rápido como el cerebro humano usando muy poca energía. Este es el objetivo de los científicos que buscan descubrir o desarrollar materiales capaces de enviar y procesar señales tan fácilmente como las neuronas y las sinapsis en el cerebro. La identificación de materiales cuánticos con una capacidad intrínseca para cambiar entre dos (o más) formas distintas podría ser la clave de estas tecnologías informáticas “neuromorfas” de sonido futurista.

En un artículo recién publicado en la revista examen físico x, Yimei Zhu, físico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), y sus colaboradores describen detalles nuevos y sorprendentes sobre el dióxido de vanadio, uno de los materiales neuromórficos más prometedores. Usando datos recopilados por una “cámara estroboscópica” única, el equipo capturó el camino oculto del movimiento atómico a medida que este material cambia de un aislante a un metal en respuesta a un pulso de luz. Sus hallazgos podrían ayudar a guiar el diseño racional de dispositivos neuromórficos de alta velocidad y eficiencia energética.

“Una forma de reducir el consumo de energía en las neuronas artificiales y las sinapsis para la computación inspirada en el cerebro es explotar las pronunciadas propiedades no lineales de los materiales cuánticos”, dijo Zhu. “La idea principal detrás de esta eficiencia energética es que en los materiales cuánticos, un pequeño estímulo eléctrico puede producir una gran respuesta que puede ser eléctrica, mecánica, óptica o magnética por un cambio en el estado del material”.

“El dióxido de vanadio es uno de los materiales raros y asombrosos que ha surgido como un candidato prometedor para dispositivos neuromiméticos bioinspirados”, dijo. Exhibe una transición de aislante a metal cerca de la temperatura ambiente en la que un pequeño voltaje o corriente puede producir un gran cambio en la resistividad con una conmutación que puede imitar el comportamiento de las neuronas (células nerviosas) y las sinapsis (las conexiones entre ellas) .

“Pasa de ser un aislante completo, como el caucho, a un muy buen conductor metálico, con un cambio de resistividad de 10.000 veces o más”, dijo Zhu.

Estos dos estados físicos muy diferentes, intrínsecos al mismo material, podrían codificarse para la computación cognitiva.

Visualización de movimientos atómicos ultrarrápidos

Para sus experimentos, los científicos activaron la transición con pulsos extremadamente cortos de fotones, partículas de luz. A continuación, capturaron la respuesta a escala atómica del material utilizando un instrumento ultrarrápido de difracción de electrones de megaelectrones-voltios (MeV-UED) desarrollado en Brookhaven.

Puede pensar en esta herramienta como similar a una cámara convencional con el obturador abierto en un ambiente oscuro, disparando destellos intermitentes para atrapar algo como una pelota lanzada en movimiento. Con cada flash, la cámara graba una imagen; la serie de imágenes tomadas en diferentes momentos revelan la trayectoria de la bala en vuelo.

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Esta representación de la red cristalina de dióxido de vanadio en sus estados de equilibrio muestra las posiciones de los átomos de vanadio en la fase aislante (esferas naranjas sólidas) y la fase metálica (esferas rojas huecas). Recuadro: un pulso de luz (fotón) desencadena la transición de fase de dos pasos del aislante al metal, donde el movimiento de los átomos de vanadio en el primer paso es lineal, luego se curva en el segundo paso. Este movimiento curvo es prueba de que otra fuerza (ejercida por los electrones que orbitan alrededor de los átomos de vanadio) también juega un papel en la transición. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

La “luz estroboscópica” MeV-UED captura la dinámica de un objeto en movimiento de la misma manera, pero en una escala de tiempo mucho más rápida (menos de una billonésima de segundo) y en una escala de longitud mucho más pequeña (menos de una milmillonésima de milímetro). ). Utiliza electrones de alta energía para revelar las trayectorias de los átomos.

“Las mediciones estáticas anteriores solo revelaron el estado inicial y final de la transición del aislador de dióxido de vanadio al metal, pero faltaba el proceso de transición detallado”, dijo Junjie Li, el primer autor del artículo. “Nuestras mediciones ultrarrápidas nos permitieron ver cómo se mueven los átomos, para capturar estados transitorios (u ‘ocultos’) de corta duración, para ayudarnos a comprender la dinámica de la transición”.

Las imágenes por sí solas no cuentan toda la historia. Después de capturar más de 100.000 “hits”, los científicos utilizaron sofisticadas técnicas de análisis cristalográfico de resolución temporal que habían desarrollado para refinar los cambios de intensidad de unas pocas docenas de “picos de difracción de electrones”. Estas son las señales producidas por los electrones que se dispersan a través de los átomos en la muestra de dióxido de vanadio cuando los átomos y sus electrones orbitales cambian del estado aislante al estado metálico.

“Nuestro instrumento utiliza tecnología de aceleración para generar electrones con una energía de 3 MeV, que es 50 veces mayor que la microscopía electrónica pequeña y los instrumentos de difracción ultrarrápidos en el laboratorio”, dijo Zhu. “La mayor energía nos permite rastrear electrones dispersos en ángulos más amplios, lo que se traduce en la capacidad de ‘ver’ los movimientos de los átomos a distancias más pequeñas con mayor precisión”.

Camino curvo y dinámico de dos pasos

El análisis reveló que la transición se da en dos etapas, siendo la segunda más larga y lenta que la primera. También demostró que las trayectorias de los movimientos de los átomos en la segunda etapa no eran lineales.

“Uno pensaría que la trayectoria de la posición A a la B sería una línea recta directa, la distancia más corta posible. En cambio, era una curva. Fue completamente inesperado”, dijo Zhu.

La curva fue una indicación de que hay otra fuerza que también juega un papel en la transición.

Piense en las imágenes estroboscópicas de la trayectoria de una bala. Cuando lanzas una pelota, ejerces una fuerza. Pero otra fuerza, la gravedad, también tira de la pelota hacia el suelo, haciendo que la trayectoria se curve.

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Esta animación muestra el cambio de posición de los átomos de vanadio cuando el dióxido de vanadio cambia de un estado aislante a un estado metálico. Este cambio rápido puede activarse mediante pequeños estímulos y cambia la resistencia eléctrica del material 10.000 veces o más, todas propiedades prometedoras para aplicaciones neuromórficas energéticamente eficientes. Crédito: Laboratorio Nacional de Brookhaven

En el caso del dióxido de vanadio, el pulso de luz es la fuerza que inicia la transición, y la curvatura de las trayectorias atómicas es causada por los electrones que orbitan alrededor de los átomos de vanadio.

El estudio también mostró que una medida relacionada con la intensidad de la luz utilizada para desencadenar la dinámica atómica puede alterar las trayectorias atómicas, de la misma manera que la fuerza que ejerces sobre una pelota puede afectar su trayectoria. . Cuando la fuerza es lo suficientemente grande, cualquier sistema (la bola o los átomos) puede superar la interacción competidora para lograr una trayectoria casi lineal.

Para verificar y confirmar sus resultados experimentales y comprender mejor la dinámica atómica, el equipo también realizó cálculos de dinámica molecular y teoría funcional de la densidad. Estos estudios de modelado les ayudaron a descifrar los efectos acumulativos de las fuerzas para rastrear la evolución de las estructuras durante la transición y proporcionaron instantáneas resueltas en el tiempo de los movimientos atómicos.

El artículo describe cómo la combinación de estudios teóricos y experimentales proporcionó información detallada, incluido cómo los “dímeros” de vanadio (pares enlazados de átomos de vanadio) se estiran y giran en el tiempo durante la transición. La investigación también abordó con éxito algunas preguntas científicas de larga data sobre el dióxido de vanadio, incluida la existencia de una fase intermedia durante la transición del aislante al metal, el papel del calentamiento térmico inducido por fotoexcitación y el origen de las transiciones incompletas bajo fotoexcitación.

Este estudio arroja nueva luz sobre la comprensión de los científicos sobre cómo la dinámica de celosía y los electrones fotoinducidos afectan esta transición de fase en particular, y también debería ayudar a continuar impulsando la evolución de la tecnología informática.

Cuando se trata de hacer una computadora que imite el cerebro humano, dijo Zhu, “todavía tenemos un largo camino por recorrer, pero creo que estamos en el camino correcto”.


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Más información:
Junjie Li et al, Detección directa de vías dinámicas de dimerización y rotación de átomos VV durante la fotoexcitación ultrarrápida en VO2, Exploración física X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021032

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Brookhaven

Cita: La ‘cámara’ ultrarrápida captura el comportamiento oculto del material ‘neuromorfo’ potencial (9 de mayo de 2022) Consultado el 11 de mayo de 2022 en https://phys.org/news/2022-05-ultrafast-camera-captures- hidden-behavior. html

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