新顯微鏡可觀察微電子材料中的納秒動態(tài)

美國能源部阿貢國家實驗室團(tuán)隊開發(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態(tài)。發(fā)表在最新一期《物理評論快報》上的這項成果，可廣泛應(yīng)用于節(jié)能微電子領(lǐng)域。

為應(yīng)對超級計算機的能耗問題，科學(xué)家正在利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)更節(jié)能的下一代計算機。其要點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)的電荷密度波來實現(xiàn)。

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20納秒電脈沖前后捕獲的衍射圖案。左側(cè)的星形小白點圖案對應(yīng)于初始電荷密度波圖案，該圖案被右側(cè)電脈沖產(chǎn)生的熱量暫時熔化。

電荷密度波增加了材料中電子運動的阻力，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現(xiàn)節(jié)能計算以及超精確傳感。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)隊測試了硫化鉭薄片，并用兩個電極連接以產(chǎn)生電脈沖。一般認(rèn)為，在短脈沖期間，產(chǎn)生的高電場或電流可能會驅(qū)動電阻切換。但利用超快電子顯微鏡的兩次觀察，改變了這種認(rèn)識。

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，從而使波的排列發(fā)生擺動。

團(tuán)隊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。

這項成果不僅展示了類腦計算中重要的“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長度和納秒速度下如何運作。