Forscher haben eine adaptive Reaktion mit einem ferroelektrischen Gerät entdeckt, das auf Lichtimpulse auf eine Weise reagiert, die der Plastizität neuronaler Netze ähnelt. Dieses Verhalten könnte in der energieeffizienten Mikroelektronik Anwendung finden.
„Heutige Supercomputer und Rechenzentren benötigen viele Megawatt Leistung“, sagte Haidan Wen, Physiker am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE). „Eine Herausforderung besteht darin, Materialien für eine energieeffizientere Mikroelektronik zu finden. Ein vielversprechender Kandidat ist ein ferroelektrisches Material, das für künstliche neuronale Netze als Komponente energieeffizienter Mikroelektronik eingesetzt werden kann.“
Ferroelektrische Materialien finden sich in verschiedenen Arten von Geräten zur Informationsverarbeitung, beispielsweise in Computerspeichern, Transistoren, Sensoren und Aktoren. Argonne-Forscher berichten über ein überraschendes adaptives Verhalten in einem ferroelektrischen Material, das sich abhängig von der Anzahl der Photonen aus Lichtimpulsen, die auf das Material treffen, Schritt für Schritt zu einem gewünschten Ziel entwickeln kann. An der Seite der Argonne-Forscher arbeiteten Wissenschaftler der Rice University, der Pennsylvania State University und des Lawrence Berkeley National Laboratory des DOE.
Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Fortschrittliche Materialien.
Das Material dieses Teams ist voll von vernetzten Inseln oder Domänen, die so unterschiedlich sind wie Öl im Wasser. Diese Domänen sind Nanometer – Milliardstel Meter – groß und können sich als Reaktion auf Lichtimpulse neu anordnen. Dieses adaptive Verhalten könnte bei der energieeffizienten Informationsbewegung in der Mikroelektronik genutzt werden.
Die ferroelektrische Probe des Teams ist als Sandwich aus abwechselnden Schichten aus Blei und Strontiumtitanat aufgebaut. Dieses siebenschichtige Sandwich wurde von Mitarbeitern der Rice University hergestellt und ist 1.000 Mal dünner als ein Stück Papier. Zuvor hatte das Team einen einzelnen, intensiven Lichtimpuls auf eine Probe gerichtet und gleichmäßige, nanoskalige, geordnete Strukturen erzeugt.
„Dieses Mal treffen wir die Probe mit vielen schwachen Lichtimpulsen, von denen jeder eine Billiardstel Sekunde dauert“, sagte Wen. „Dadurch wurde je nach optischer Dosis eine Familie von Domänenstrukturen und nicht eine einzelne Struktur erstellt und abgebildet.“
Um die nanoskaligen Reaktionen zu visualisieren, nutzte das Team die Nanoprobe (Beamline 26-ID), die vom Center for Nanoscale Materials und der Advanced Photon Source (APS) betrieben wird. Beide sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science in Argonne. Mit der Nanoprobe scannte ein Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von mehreren zehn Nanometern die Probe, während sie einer Flut ultraschneller Lichtimpulse ausgesetzt wurde.
Die resultierenden Bilder zeigten, dass durch die Lichtimpulse vernetzte Nanodomänen erzeugt, gelöscht und neu konfiguriert werden. Die Regionen und Grenzen dieser Domänen entwickelten sich und ordneten sich in Längen von 10 Nanometern – etwa 10.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar – bis hin zu 10 Mikrometern, was ungefähr der Größe eines Wolkentröpfchens entspricht. Das Endprodukt hing von der Anzahl der Lichtimpulse ab, die zur Stimulation der Probe verwendet wurden.
„Durch die Kopplung eines ultraschnellen Lasers mit der Nanoprobe-Strahllinie können wir Veränderungen an den vernetzten Nanodomänen mittels Lichtimpulsen initiieren und steuern, ohne viel Energie zu benötigen“, sagte Martin Holt, Wissenschaftler und Gruppenleiter für Röntgen- und Elektronenmikroskopie.
Die Probe beginnt mit einer spinnennetzartigen Anordnung der Nanodomänen, und aufgrund der durch die Lichtimpulse erzeugten Störung bricht das Netz zusammen und bildet völlig neue Konfigurationen, die einem gewünschten Ziel dienen, ähnlich einem adaptiven Netzwerk.
„Wir haben völlig neue Anordnungen dieser Nanodomänen entdeckt“, sagte Stephan Hruszkewycz, ein argonischer Physiker und Gruppenleiter. „Die Tür steht nun weit offen für viele weitere Entdeckungen. In Zukunft werden wir in der Lage sein, verschiedene Regime der Lichtstimulation zu testen und noch mehr unbekannte Nanodomänen und Netzwerke zu beobachten.“
Die Fähigkeit, nanoskalige Veränderungen im Laufe der Zeit sichtbar zu machen, wird durch das jüngste Upgrade des APS erheblich verbessert und verspricht bis zu 500-mal hellere Röntgenstrahlen.
Mit dieser bahnbrechenden Entdeckung zeitabhängiger Veränderungen in vernetzten Nanodomänen sind Entwickler auf dem Weg, adaptive Netzwerke für die Informationsspeicherung und -verarbeitung aufzubauen. Dieser Fortschritt verspricht die Schaffung energieeffizienterer Computersysteme.
Zu den Autoren der Studie gehören neben Wen, Holt und Hruszkewycz auch Marc Zajac, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew Cherukara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane Martin und Long- Qing Chen.
Weitere Informationen:
Marc Zajac et al., Optische Kontrolle adaptiver nanoskaliger Domänennetzwerke, Fortschrittliche Materialien (2024). DOI: 10.1002/adma.202405294