‘Kamera’ ultrafast menangkap gelagat tersembunyi bahan ‘neuromorfik’ yang berpotensi

Yimei Zhu dan Junjie Li pada instrumen pembelauan elektron ultrafast 3 MeV di Kemudahan Ujian Pemecut Makmal Kebangsaan Brookhaven. Instrumen ini bertindak seperti “kamera” stroboskopik resolusi tinggi untuk menjejaki trajektori atom. Kredit: Makmal Kebangsaan Brookhaven

Bayangkan komputer yang boleh berfikir sepantas otak manusia sambil menggunakan tenaga yang sangat sedikit. Itulah matlamat saintis mencari atau membangunkan bahan yang boleh menghantar dan memproses isyarat semudah neuron dan sinaps otak. Mengenal pasti bahan kuantum dengan keupayaan intrinsik untuk bertukar antara dua bentuk yang berbeza (atau lebih) mungkin memegang kunci kepada teknologi pengkomputeran “neuromorphic” yang berbunyi futuristik ini.

Dalam makalah yang baru diterbitkan dalam jurnal Kajian Fizikal X, Yimei Zhu, ahli fizik di Makmal Kebangsaan Brookhaven Jabatan Tenaga (JAS) AS, dan rakan usaha samanya menerangkan butiran baharu yang mengejutkan tentang vanadium dioksida, salah satu bahan neuromorfik yang paling menjanjikan. Menggunakan data yang dikumpul oleh “stroboskopik kamera,” pasukan itu menangkap trajektori tersembunyi gerakan atom apabila bahan ini beralih daripada penebat kepada logam sebagai tindak balas kepada nadi cahaya. Penemuan mereka boleh membantu membimbing reka bentuk rasional peranti neuromorfik berkelajuan tinggi dan cekap tenaga.

“Satu cara untuk mengurangkan penggunaan tenaga dalam tiruan neuron dan sinaps untuk pengkomputeran yang diilhamkan oleh otak adalah untuk mengeksploitasi sifat bukan linear bahan kuantum yang jelas,” kata Zhu. “Idea utama di sebalik kecekapan tenaga ini ialah dalam bahan kuantum, rangsangan elektrik yang kecil boleh menghasilkan tindak balas yang besar yang boleh elektrik, mekanikal, optik atau magnet melalui perubahan keadaan bahan.”

“Vanadium dioksida adalah salah satu bahan yang jarang ditemui dan menakjubkan yang telah muncul sebagai calon yang menjanjikan untuk peranti bio-inspirasi neuro-mimetik, ” katanya. Ia mempamerkan peralihan penebat-logam berhampiran suhu bilik di mana voltan atau arus kecil boleh menghasilkan perubahan besar dalam kerintangan dengan pensuisan yang boleh meniru tingkah laku kedua-dua neuron (sel saraf) dan sinaps (hubungan antara mereka).

“Ia berubah daripada penebat sepenuhnya—seperti getah—kepada konduktor logam yang sangat baik, dengan perubahan kerintangan sebanyak 10,000 kali atau lebih,” kata Zhu.

Kedua-dua keadaan fizikal yang sangat berbeza itu, intrinsik dalam bahan yang sama, boleh dikodkan untuk pengkomputeran kognitif.

Menggambarkan gerakan atom ultrapantas

Untuk eksperimen mereka, saintis mencetuskan peralihan dengan denyutan foton yang sangat pendek—zarah cahaya. Kemudian mereka menangkap tindak balas skala atom bahan menggunakan alat pembelauan elektron ultrafast mega-elektron-volt (MeV-UED) yang dibangunkan di Brookhaven.

Anda boleh menganggap alat ini serupa dengan kamera konvensional dengan pengatup dibiarkan terbuka dalam tetapan gelap, melepaskan denyar sekejap-sekejap untuk menangkap sesuatu seperti bola yang dibaling dalam gerakan. Dengan setiap denyar, kamera merakam imej; siri imej yang diambil pada masa yang berbeza mendedahkan trajektori bola dalam penerbangan.

'Kamera' ultrafast menangkap gelagat tersembunyi bahan'neuromorfik' yang berpotensi

Perwakilan kekisi kristal vanadium dioksida dalam keadaan mantapnya menunjukkan kedudukan atom vanadium dalam fasa penebat (sfera oren pepejal) dan fasa logam (sfera merah berongga). Inset: Nadi cahaya (foton) mencetuskan peralihan fasa dua peringkat daripada penebat kepada logam, di mana gerakan atom vanadium pada peringkat pertama adalah linear, kemudian melengkung pada peringkat kedua. Pergerakan melengkung ini adalah bukti bahawa daya lain (yang dikenakan oleh elektron yang mengorbit atom vanadium) juga memainkan peranan dalam peralihan. Kredit: Makmal Kebangsaan Brookhaven

“stroboskop” MeV-UED menangkap dinamik objek bergerak dengan cara yang sama, tetapi pada skala masa yang lebih cepat (lebih pendek daripada satu trilion saat) dan pada skala panjang yang lebih kecil (lebih kecil daripada satu bilion milimeter. ). Ia menggunakan elektron bertenaga tinggi untuk mendedahkan trajektori atom.

“Pengukuran statik sebelum ini hanya mendedahkan keadaan awal dan akhir peralihan penebat-ke-logam vanadium dioksida, tetapi proses peralihan terperinci telah hilang,” kata Junjie Li, pengarang pertama kertas itu. “Pengukuran ultrapantas kami membolehkan kami melihat cara atom bergerak—untuk menangkap keadaan sementara (atau ‘tersembunyi’) jangka pendek—untuk membantu kami memahami dinamik peralihan.”

Gambar sahaja tidak menceritakan keseluruhannya. Selepas menangkap lebih daripada 100,000 “tembakan”, saintis menggunakan teknik analisis kristalografi penyelesaian masa canggih yang telah mereka bangunkan untuk memperhalusi perubahan keamatan beberapa dozen “puncak difraksi elektron.” Itu adalah isyarat yang dihasilkan oleh elektron yang menyerakkan atom sampel vanadium dioksida semasa atom dan elektron orbitnya bergerak dari keadaan penebat ke keadaan logam.

“Instrumen kami menggunakan teknologi pemecut untuk menjana elektron dengan tenaga 3 MeV, iaitu 50 kali lebih tinggi daripada mikroskop elektron ultrafast dan instrumen pembelauan berasaskan makmal yang lebih kecil,” kata Zhu. “Tenaga yang lebih tinggi membolehkan kita menjejaki elektron yang bertaburan pada sudut yang lebih luas, yang diterjemahkan kepada dapat ‘melihat’ pergerakan atom pada jarak yang lebih kecil dengan ketepatan yang lebih baik.”

Dinamik dua peringkat dan laluan melengkung

Analisis mendedahkan bahawa peralihan berlaku dalam dua peringkat, dengan peringkat kedua lebih panjang dalam tempoh dan lebih perlahan dalam kelajuan daripada yang pertama. Ia juga menunjukkan bahawa trajektori pergerakan atom pada peringkat kedua adalah tidak linear.

“Anda akan fikir trajektori dari kedudukan A ke B akan menjadi garis lurus terus—jarak terpendek yang mungkin. Sebaliknya, ia adalah lengkung. Ini benar-benar tidak dijangka,” kata Zhu.

Lengkung itu adalah petunjuk bahawa terdapat satu lagi daya yang turut memainkan peranan dalam peralihan.

Fikirkan kembali imej stroboskopik trajektori bola. Apabila anda membaling bola, anda menggunakan daya. Tetapi kuasa lain, graviti, juga menarik bola ke tanah, menyebabkan trajektori untuk melengkung.

blank

Animasi ini menunjukkan perubahan dalam kedudukan atom vanadium apabila vanadium dioksida bertukar antara keadaan penebat dan logam. Pensuisan pantas ini boleh dicetuskan oleh rangsangan kecil dan mengubah rintangan elektrik bahan sebanyak 10,000 kali atau lebih—semua sifat yang menjanjikan untuk aplikasi neuromorfik yang cekap tenaga. Kredit: Makmal Kebangsaan Brookhaven

Dalam kes vanadium dioksida, nadi cahaya ialah daya yang menyebabkan peralihan berjalan, dan kelengkungan dalam trajektori atom disebabkan oleh elektron yang mengorbit di sekeliling atom vanadium.

Kajian itu juga menunjukkan bahawa ukuran yang berkaitan dengan keamatan cahaya yang digunakan untuk mencetuskan dinamik atom boleh mengubah trajektori atom—serupa dengan cara daya yang anda lakukan pada bola boleh memberi kesan kepada laluannya. Apabila daya cukup besar, sama ada sistem (bola atau atom) boleh mengatasi interaksi bersaing untuk mencapai laluan linear yang hampir.

Untuk mengesahkan dan mengesahkan penemuan eksperimen mereka dan lebih memahami dinamik atom, pasukan itu juga menjalankan pengiraan teori fungsi dinamik molekul dan ketumpatan. Kajian pemodelan ini membantu mereka menguraikan kesan kumulatif daya untuk menjejaki cara struktur berubah semasa peralihan dan memberikan syot kilat yang diselesaikan masa bagi gerakan atom.

Makalah ini menerangkan bagaimana gabungan teori dan kajian eksperimen memberikan maklumat terperinci, termasuk bagaimana vanadium “dimer” (pasangan terikat atom vanadium) meregang dan berputar dari semasa ke semasa semasa peralihan. Penyelidikan itu juga berjaya menangani beberapa persoalan saintifik yang telah lama wujud tentang vanadium dioksida, termasuk kewujudan fasa perantaraan semasa peralihan penebat-ke-logam, peranan pemanasan terma yang disebabkan oleh photoexcitation, dan asal-usul peralihan yang tidak lengkap di bawah photoexcitation.

Kajian ini memberi penerangan baharu tentang pemahaman saintis tentang cara dinamik elektronik dan kekisi foto mempengaruhi peralihan fasa tertentu ini—dan juga harus membantu terus mendorong evolusi teknologi pengkomputeran.

Ketika datang untuk membuat komputer yang meniru otak manusia, Zhu berkata, “kita masih mempunyai perjalanan yang panjang, tetapi saya fikir kita berada di landasan yang betul.”


Menukar identiti: Bahan seperti penebat revolusioner juga mengalirkan elektrik


Maklumat lanjut:
Junjie Li et al, Pengesanan Terus Dimerisasi Atom VV dan Laluan Dinamik Putaran atas Photoexcitation Ultrafast dalam VO2, Kajian Fizikal X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021032

Petikan: ‘Kamera’ Ultrafast merakam gelagat tersembunyi bagi bahan ‘neuromorphic’ yang berpotensi (2022, 9 Mei) diambil 10 Mei 2022 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would like to give thanks to the writer of this post for this incredible content

‘Kamera’ ultrafast menangkap gelagat tersembunyi bahan ‘neuromorfik’ yang berpotensi


We have our social media profiles here as well as other related pages herehttps://paw6.info/related-pages/