量子电子学-揭示潜在能力

今年7月，美国能源部SLA雷电竞网址C国家加速器实验室的科学家们在开发出一种查看微型量子电子设备内部的方法后，推进了我们对下一代计算技术的理解。来自SLAC、斯坦福大学、惠普实验室、宾夕法尼亚州立大学和普渡大学的研究人员使用了一种直接可视化方法，这导致了一个惊人的发现;存在一种短寿命的状态，可以用于更快、更节能的计算设备。

这一发现被SLAC科学家和合作者王熙杰描述为“超快技术和科学的突破”。“这标志着研究人员第一次使用超快电子衍射，这种衍射可以通过从样品中散射强大的电子束来检测材料中的微小原子运动，从而观察电子设备的运行。”
国际实验室跟进Aditya Sood他是SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的博士后研究员，他进一步解释说:
“超快电子衍射以前被用于理解材料结构如何在快速时间尺度上对短脉冲光的响应。然而，它以前从未被用于探测设备中电场驱动开关过程的动力学。一般来说，几乎没有任何实验工具可以在快速时间尺度上可视化操作电子开关内的原子运动，并将这些原子动力学与电子传输的变化联系起来，所以我们决定开发自己的技术。”
在实验中，微型电子开关由二氧化钒制成，二氧化钒是一种典型的量子材料，其在室温附近的绝缘和导电状态之间来回变化的能力可以用作未来计算的开关。这种材料还应用于脑启发计算，因为它能够产生模拟人脑神经脉冲的电子脉冲。
研究人员使用电脉冲在绝缘和导电状态之间来回切换这些开关，同时拍摄快照，显示出十亿分之一秒内原子排列的微妙变化。这些由SLAC的超快电子衍射相机MeV-UED拍摄的快照被串在一起，以创建原子运动的分子电影。
“这种超快相机实际上可以看到材料内部，并拍摄原子在强烈的电激发脉冲下如何运动的快照，”合作伙伴Aaron Lindenberg说，他是SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员，斯坦福大学材料科学与工程系教授。“与此同时，它还测量了这种材料的电子性质如何随时间变化。”
是否有可能使用任何其他类型的摄像机或视觉跟踪来观察转换过程?
“用普通的‘相机’是不可能观察到的。为了对原子动力学成像，你需要一种波长相当于或小于原子之间距离的东西。”Aditya Sood解释道。“电子衍射是探测物质原子结构的有力手段，因为电子的波长非常小。当电子穿过材料时，它们会产生干涉图案。通过定位干涉图中的峰值，我们可以向后推断原子的位置。然后，通过电脉冲冲击电子开关，我们可以通过跟踪干涉模式的变化来了解原子是如何运动的。”
SLAC的科学家和合作者沈晓哲补充说:“绝缘态和导电态的原子排列略有不同，从一个态到另一个态通常需要能量。但是当过渡通过中间状态发生时，转换可以在不改变原子排列的情况下发生。”
绝缘阶段和导电阶段之间的中间状态的发现是完全出乎意料的还是早有预测?-如果是的话，这是基于什么?当这被发现/证实时，你们有什么感觉?
Aditya Sood说:“二氧化钒的瞬态已经在先前的光驱动实验中观察到，但不知道这种瞬态是否也在电激发下形成。”
“当我们第一次得到这项技术的工作时，我们非常兴奋，并在衍射图案中看到了电压诱导结构变化的第一个迹象。实验的许多部分已经有好几个月没有工作了，让一切都到位是非常令人满意的!”
“这种方法为我们提供了一种观察设备运行的新方法，打开了一扇观察原子如何运动的窗口。将传统上不同的电气工程和超快科学领域的想法结合在一起是令人兴奋的。”
你能详细说明一下二氧化钒在开关上的使用，以及它与人类神经放电反应的相关模拟吗?目前是否有其他材料正在考虑中，或者有开发此类材料的计划?
“二氧化钒是一种迷人的量子材料，已知存在于两种状态-这两种状态的原子排列不同，并且具有截然不同的电导率。从器件的角度来看，有趣的是，只要施加一个电偏置，就可以从绝缘状态转变为金属状态。这对电子产品来说是相当有吸引力的，但之前不清楚的是，这种电力驱动的转变背后的途径是什么，以及它发生的速度有多快。这些正是我们工作所要解决的问题。
先前的研究表明，二氧化钒装置可以以某种方式产生重复的电流爆发，看起来很像神经脉冲。在未来，我们希望利用我们的技术来理解在这些快速爆发中发生的原子尺度结构动力学。
二氧化钒是一类称为莫特绝缘体的材料的典型成员。想想我们关于VO2的结果如何推广到这个家族的其他成员，这将是很有趣的，其中一些可能与计算应用有关。”
虽然中间状态只存在百万分之一秒，但它是由材料中的缺陷稳定下来的，研究小组正在研究如何设计材料中的这些缺陷，使这种新状态更稳定、更持久。这项研究还提供了一种合成在自然条件下不存在的材料的新方法，使科学家能够在超快的时间尺度上观察它们，然后可能调整它们的性质。雷电竞网址
“我们认为，通过对材料进行无序设计，可能有一种在较长时间内稳定瞬态相位的途径。Aditya Sood继续说，目前还不清楚具体将如何做到这一点。“如果这可以实现，它将允许Mott设备完全电子切换，即没有原子结构重排。”
观察功能设备-您是否在跟踪其他研究领域-或考虑建立任何研究伙伴关系来进一步开发这些观察方法?
使用我们的方法来研究更广泛的设备类别将是令人兴奋的，在这些设备中，电场诱导的转换是功能的基础。这包括离子存储器和电池。我们现在有了一种新的方法，可以将原子在超快时间尺度上的运动与电流在器件中的流动联系起来。
这种方法最终如何被行业所采用?
例如，你认为它能发展成用于铅设备的仪器吗?
Aditya Sood说:“目前，这是一种先进的表征技术。”“我们希望通过我们的方法获得的见解可以为行业提供创造更高速度和能源效率的电子设备的途径。除了对基于二氧化钒的电子学的直接影响之外，我们的工作还指明了一条新的路线(即电激发)来创造在正常条件下不存在的材料。这极大地扩展了材料科学的沙盒。”
该项目的合作者、普渡大学教授施拉姆·拉马纳坦(Shriram Ramanathan)评论说:“研究结果证明了电气开关在数百万个周期中的稳定期，并确定了此类设备开关速度的可能限制。”“这项研究为设备运行过程中发生的微观现象提供了宝贵的数据，这对未来设计电路模型至关重要。”
MeV-UED是LCLS用户设施的仪器，由SLAC代表能源部科学办公室运营，该办公室资助了这项研究。
来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、惠普实验室、宾夕法尼亚州立大学和普渡大学的研究团队在《科学》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的工作。
引用本文:Sood et al.， Science, 2021年7月16日(10.1126/ Science .abc0652)

确认

实验室图片来源:Jacqueline Orrell/SLAC国家加速器实验室