20納秒電脈沖前后捕獲的衍射圖案。左側(cè)的星形小白點(diǎn)圖案對(duì)應(yīng)于初始電荷密度波圖案，該圖案被右側(cè)電脈沖產(chǎn)生的熱量暫時(shí)熔化。圖片來源：美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的顯微鏡技術(shù)，利用電脈沖可觀察室溫下形成電荷密度波的材料中的納秒動(dòng)態(tài)。發(fā)表在最新一期《物理評(píng)論快報(bào)》上的這項(xiàng)成果，可廣泛應(yīng)用于節(jié)能微電子領(lǐng)域。

為應(yīng)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的能耗問題，科學(xué)家正在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)更節(jié)能的下一代計(jì)算機(jī)。其要點(diǎn)是模擬人類大腦基本單位神經(jīng)元的過程，這種模擬可通過材料中出現(xiàn)的電荷密度波來實(shí)現(xiàn)。

電荷密度波增加了材料中電子運(yùn)動(dòng)的阻力，控制波的能力可快速打開和關(guān)閉電阻，然后可利用此特性實(shí)現(xiàn)節(jié)能計(jì)算以及超精確傳感。然而，人們尚不清楚該切換過程是如何發(fā)生的，特別是考慮到波在200億分之一秒內(nèi)就能從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。

為此，團(tuán)隊(duì)測(cè)試了硫化鉭薄片，并用兩個(gè)電極連接以產(chǎn)生電脈沖。一般認(rèn)為，在短脈沖期間，產(chǎn)生的高電場(chǎng)或電流可能會(huì)驅(qū)動(dòng)電阻切換。但利用超快電子顯微鏡的兩次觀察，改變了這種認(rèn)識(shí)。

首先，電荷密度波的熔化是受到注入電流產(chǎn)生的熱量而不是電荷電流本身的影響，即使在納秒脈沖期間也是如此。其次，電脈沖在材料中引起鼓狀振動(dòng)，從而使波的排列發(fā)生擺動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)確定了這兩種以前從未觀察到的電能操縱電荷密度波狀態(tài)的方式。熔化反應(yīng)模擬了大腦中神經(jīng)元的激活方式，而振動(dòng)反應(yīng)可在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生類似神經(jīng)元的放電信號(hào)。

這項(xiàng)成果不僅展示了類腦計(jì)算中重要的“開關(guān)過程”，還意味著人們首次能夠利用超快電子顯微鏡，觀察微電子材料在納米級(jí)長(zhǎng)度和納秒速度下如何運(yùn)作。

總編輯圈點(diǎn)

當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)消耗大量能源，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算是解決該問題最有潛力的手段之一。但這其中，電荷密度波的控制問題一直懸而未決。只有了解電能如何操縱它的狀態(tài)，才能更好的構(gòu)建下一代計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在研究人員不但揭示了這一神奇過程，還介紹了硫化鉭這樣的新穎材料。隨著人們對(duì)微型電子設(shè)備尺寸越來越小、速度越來越快和效率越來越高的追求，這種新材料也會(huì)變得極具吸引力。