Ultraschnelle Elektronenmikroskopie verbessert das Verständnis von Prozessen, die für gehirnähnliches Computing relevant sind

Heutige Supercomputer verbrauchen enorme Mengen an Energie, die dem Stromverbrauch Tausender Haushalte entsprechen. Als Reaktion darauf entwickeln Forscher eine energieeffizientere Form des Supercomputings der nächsten Generation, die künstliche neuronale Netzwerke nutzt.

Diese Netzwerke ahmen die Prozesse von Neuronen nach, der Grundeinheit des menschlichen Gehirns. 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.

Die Ladungsdichtewellen erhöhen den Widerstand gegen die Bewegung der Elektronen im Material. Die Fähigkeit, die Wellen zu steuern, könnte ein schnelles Ein- und Ausschalten des Widerstands ermöglichen. Diese Eigenschaft könnte dann für energieeffizienteres Rechnen sowie für ultrapräzise Sensorik genutzt werden. Es ist jedoch nicht klar, wie der Schaltvorgang abläuft, insbesondere angesichts der Tatsache, dass die Wellen innerhalb von 20 Milliardstel Sekunden von einem Zustand in einen anderen wechseln.

Forscher am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben eine neue Methode gefunden, diese Wellen zu untersuchen. Dazu nutzten sie das ultraschnelle Elektronenmikroskop im Center for Nanoscale Materials, einer Einrichtung des DOE Office of Science in Argonne. Sie entwickelten eine neue Mikroskopietechnik, die elektrische Impulse verwendet, um die Nanosekundendynamik in einem Material zu beobachten, von dem bekannt ist, dass es bei Raumtemperatur Ladungsdichtewellen bildet. Bei diesem Material handelt es sich um ein Tantalsulfid mit der Bezeichnung 1T-TaS2.

Das Team testete eine Flocke dieses Sulfids mit zwei daran befestigten Elektroden, um elektrische Impulse zu erzeugen. Bei kurzen Impulsen ging man davon aus, dass das resultierende hohe elektrische Feld oder die Ströme den Widerstandswechsel auslösen könnten. Doch zwei Beobachtungen mit dem ultraschnellen Elektronenmikroskop änderten dieses Verständnis.

Erstens schmolzen die Ladungsdichtewellen als Reaktion auf die vom eingespeisten Strom erzeugte Wärme und nicht auf den Ladestrom selbst, und zwar sogar während Nanosekundenimpulsen. Zweitens induzierten die elektrischen Impulse trommelartige Vibrationen im gesamten Material, die die Anordnung der Wellen ins Wanken brachten.

„Dank dieser neuen Technik konnten wir zwei bisher unbeobachtete Wege entdecken, auf denen Elektrizität den Zustand der Ladungsdichtewellen manipulieren kann“, sagte Daniel Durham, Postdoktorand bei 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 dieser Art elektrischer Schaltvorgänge. Mit dieser ultraschnellen Elektronenmikroskopiemethode können Forscher beobachten, wie mikroelektronische Materialien auf Nanolängen und bei Nanosekundengeschwindigkeiten funktionieren.

Der Trend zu kleineren, schnelleren und effizienteren mikroelektronischen Geräten macht ein Material wie 1T-TaS2 attraktiv. Und da es sich auch als Schicht im Nanomaßstab bilden lässt, ist es für derartige Geräte ebenfalls interessant.

Diese neue Technik habe Ergebnisse mit breitem Anwendungsspektrum in der energieeffizienten Mikroelektronik hervorgebracht, sagt Charudatta Phatak, Materialwissenschaftler und stellvertretender Abteilungsleiter bei Argonne.

„Das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, wie wir diese Ladungsdichtewellen steuern können, ist wichtig, weil dies auf andere Materialien angewendet werden kann, um deren Eigenschaften zu steuern“, sagte Phatak.

Diese Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen ÜberprüfungZu den Autoren zählen neben Durham und Phatak Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan und Supratik Guha.