Ladungsdichtewellen finden Anwendung im energieeffizienten Computing der nächsten Generation.
Wissenschaftler verwendeten ein ultraschnelles Elektronenmikroskop, um die Nanosekundenänderungen in einem Material während elektrischer Impulse zu erfassen. Das Verständnis dieser Veränderungen kann zu einer energieeffizienteren Elektronik führen.
HeuteSie verbrauchen enorme Energiemengen, die dem Stromverbrauch von Tausenden von Haushalten entsprechen. Als Reaktion darauf entwickeln Forscher eine energieeffizientere Form des Supercomputings der nächsten Generation, das künstliche neuronale Netze nutzt. Diese Netzwerke ahmen die Prozesse von Neuronen nach, der Grundeinheit im menschlichen Gehirn. Diese Nachahmung könnte durch die Ladungsdichtewellen erreicht werden, die in bestimmten Materialien auftreten. Ladungsdichtewellen sind wellenartige Muster von Elektronen – negativ geladenen Teilchen –, die sich korreliert bewegen.
Entschlüsselung der Dynamik von Ladungsdichtewellen
Die Ladungsdichtewellen erhöhen den Widerstand gegen die Bewegung von Elektronen im Material. Die Möglichkeit, die Wellen zu steuern, könnte ein schnelles Ein- und Ausschalten des Widerstands ermöglichen. Diese Eigenschaft könnte dann für energieeffizienteres Rechnen sowie für ultrapräzise Sensoren genutzt werden. Es ist jedoch nicht klar, wie der Umschaltvorgang abläuft, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Wellen innerhalb von 20 Milliardstelsekunden von einem Zustand in einen anderen wechseln.
„Diese neue Technik lieferte Ergebnisse mit breiten Anwendungsmöglichkeiten für die energieeffiziente Mikroelektronik.“
Charudatta Phatak, Materialwissenschaftlerin und stellvertretende Abteilungsleiterin
Fortschritte in der Mikroskopie am Argonne National Laboratory
Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben einen neuen Weg gefunden, diese Wellen zu untersuchen. Zu diesem Zweck nutzten sie das ultraschnelle Elektronenmikroskop am Center for Nanoscale Materials, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Sie entwickelten eine neue Mikroskopietechnik, die elektrische Impulse verwendet, um die Nanosekundendynamik innerhalb eines Materials zu beobachten, von dem bekannt ist, dass es bei Raumtemperatur Ladungsdichtewellen bildet. Bei diesem Material handelt es sich um ein Tantalsulfid, das als 1T-TaS bezeichnet wird2.
Das Team testete eine Flocke dieses Sulfids mit zwei daran befestigten Elektroden, um elektrische Impulse zu erzeugen. Es wurde angenommen, dass bei kurzen Impulsen das resultierende hohe elektrische Feld oder die daraus resultierenden Ströme das Schalten des Widerstands antreiben könnten. Doch zwei Beobachtungen mit dem ultraschnellen Elektronenmikroskop veränderten dieses Verständnis.
Erstens schmolzen die Ladungsdichtewellen als Reaktion auf die durch den injizierten Strom erzeugte Wärme und nicht auf den Ladungsstrom selbst, selbst während Nanosekundenimpulsen. Zweitens verursachten die elektrischen Impulse trommelartige Vibrationen im Material, die die Anordnung der Wellen ins Wanken brachten.
„Dank dieser neuen Technik haben wir diese beiden bisher unbeobachteten Möglichkeiten ermittelt, wie Elektrizität den Zustand der Ladungsdichtewellen manipulieren kann“, sagte Daniel Durham, Postdoktorand an der Argonne. „Und die Schmelzreaktion ahmt nach, wie Neuronen im Gehirn aktiviert werden, während die Vibrationsreaktion neuronenähnliche Feuersignale in einem neuronalen Netzwerk erzeugen könnte.“
Diese Studie zeigt einen neuen Ansatz zur Untersuchung derartiger elektrischer Schaltvorgänge. Mit dieser Methode der ultraschnellen Elektronenmikroskopie können Forscher beobachten, wie mikroelektronische Materialien funktionierennanoskaligLängen und Nanosekundengeschwindigkeiten.
Der Trend zu kleineren, schnelleren und effizienteren mikroelektronischen Geräten führt zu einem Material wie 1T-TaS2attraktiv. Und auch seine Fähigkeit, sich als nanoskalige Schicht auszubilden, macht es für solche Geräte attraktiv.
Diese neue Technik führte zu Ergebnissen mit breiten Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Energieeffizienz, so Charudatta Phatak, Materialwissenschaftlerin und stellvertretende Abteilungsleiterin bei Argonne.
„Es ist wichtig, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, wie wir diese Ladungsdichtewellen steuern können, da dies auf andere Materialien angewendet werden kann, um deren Eigenschaften zu steuern“, sagte Phatak.
Diese Forschung wurde veröffentlicht inBriefe zur körperlichen Untersuchung.
Referenz: „Nanosekunden-Strukturdynamik während des elektrischen Schmelzens von Ladungsdichtewellen in 1T-TaS.“2” von Daniel B. Durham, Thomas E. Gage, Connor P. Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan, Supratik Guha und Charudatta Phatak, 28. Mai 2024,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
Zu den Autoren zählen neben Durham und Phatak auch Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan und Supratik Guha. Horn und Guha haben gemeinsame Termine bei derUniversität von Chicago.
Diese Arbeit wurde durch die Ausschreibung des DOE Office of Science für Mikroelektronikforschung unterstützt.
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Ladungsdichtewellen finden Anwendung im energieeffizienten Computing der nächsten Generation.
Wissenschaftler verwendeten ein ultraschnelles Elektronenmikroskop, um die Nanosekundenänderungen in einem Material während elektrischer Impulse zu erfassen. Das Verständnis dieser Veränderungen kann zu einer energieeffizienteren Elektronik führen.
HeuteSie verbrauchen enorme Energiemengen, die dem Stromverbrauch von Tausenden von Haushalten entsprechen. Als Reaktion darauf entwickeln Forscher eine energieeffizientere Form des Supercomputings der nächsten Generation, das künstliche neuronale Netze nutzt. Diese Netzwerke ahmen die Prozesse von Neuronen nach, der Grundeinheit im menschlichen Gehirn. Diese Nachahmung könnte durch die Ladungsdichtewellen erreicht werden, die in bestimmten Materialien auftreten. Ladungsdichtewellen sind wellenartige Muster von Elektronen – negativ geladenen Teilchen –, die sich korreliert bewegen.
Entschlüsselung der Dynamik von Ladungsdichtewellen
Die Ladungsdichtewellen erhöhen den Widerstand gegen die Bewegung von Elektronen im Material. Die Möglichkeit, die Wellen zu steuern, könnte ein schnelles Ein- und Ausschalten des Widerstands ermöglichen. Diese Eigenschaft könnte dann für energieeffizienteres Rechnen sowie für ultrapräzise Sensoren genutzt werden. Es ist jedoch nicht klar, wie der Umschaltvorgang abläuft, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Wellen innerhalb von 20 Milliardstelsekunden von einem Zustand in einen anderen wechseln.
„Diese neue Technik lieferte Ergebnisse mit breiten Anwendungsmöglichkeiten für die energieeffiziente Mikroelektronik.“
Charudatta Phatak, Materialwissenschaftlerin und stellvertretende Abteilungsleiterin
Fortschritte in der Mikroskopie am Argonne National Laboratory
Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben einen neuen Weg gefunden, diese Wellen zu untersuchen. Zu diesem Zweck nutzten sie das ultraschnelle Elektronenmikroskop am Center for Nanoscale Materials, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Sie entwickelten eine neue Mikroskopietechnik, die elektrische Impulse verwendet, um die Nanosekundendynamik innerhalb eines Materials zu beobachten, von dem bekannt ist, dass es bei Raumtemperatur Ladungsdichtewellen bildet. Bei diesem Material handelt es sich um ein Tantalsulfid, das als 1T-TaS bezeichnet wird2.
Das Team testete eine Flocke dieses Sulfids mit zwei daran befestigten Elektroden, um elektrische Impulse zu erzeugen. Es wurde angenommen, dass bei kurzen Impulsen das resultierende hohe elektrische Feld oder die daraus resultierenden Ströme das Schalten des Widerstands antreiben könnten. Doch zwei Beobachtungen mit dem ultraschnellen Elektronenmikroskop veränderten dieses Verständnis.
Erstens schmolzen die Ladungsdichtewellen als Reaktion auf die durch den injizierten Strom erzeugte Wärme und nicht auf den Ladungsstrom selbst, selbst während Nanosekundenimpulsen. Zweitens verursachten die elektrischen Impulse trommelartige Vibrationen im Material, die die Anordnung der Wellen ins Wanken brachten.
„Dank dieser neuen Technik haben wir diese beiden bisher unbeobachteten Möglichkeiten ermittelt, wie Elektrizität den Zustand der Ladungsdichtewellen manipulieren kann“, sagte Daniel Durham, Postdoktorand an der Argonne. „Und die Schmelzreaktion ahmt nach, wie Neuronen im Gehirn aktiviert werden, während die Vibrationsreaktion neuronenähnliche Feuersignale in einem neuronalen Netzwerk erzeugen könnte.“
Diese Studie zeigt einen neuen Ansatz zur Untersuchung derartiger elektrischer Schaltvorgänge. Mit dieser Methode der ultraschnellen Elektronenmikroskopie können Forscher beobachten, wie mikroelektronische Materialien funktionierennanoskaligLängen und Nanosekundengeschwindigkeiten.
Der Trend zu kleineren, schnelleren und effizienteren mikroelektronischen Geräten führt zu einem Material wie 1T-TaS2attraktiv. Und auch seine Fähigkeit, sich als nanoskalige Schicht auszubilden, macht es für solche Geräte attraktiv.
Diese neue Technik führte zu Ergebnissen mit breiten Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Energieeffizienz, so Charudatta Phatak, Materialwissenschaftlerin und stellvertretende Abteilungsleiterin bei Argonne.
„Es ist wichtig, die grundlegenden Mechanismen zu verstehen, wie wir diese Ladungsdichtewellen steuern können, da dies auf andere Materialien angewendet werden kann, um deren Eigenschaften zu steuern“, sagte Phatak.
Diese Forschung wurde veröffentlicht inBriefe zur körperlichen Untersuchung.
Referenz: „Nanosekunden-Strukturdynamik während des elektrischen Schmelzens von Ladungsdichtewellen in 1T-TaS.“2” von Daniel B. Durham, Thomas E. Gage, Connor P. Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan, Supratik Guha und Charudatta Phatak, 28. Mai 2024,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
Zu den Autoren zählen neben Durham und Phatak auch Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan und Supratik Guha. Horn und Guha haben gemeinsame Termine bei derUniversität von Chicago.
Diese Arbeit wurde durch die Ausschreibung des DOE Office of Science für Mikroelektronikforschung unterstützt.
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