양자 전자의 초고속 스위칭 스냅샷은 더 빠른 컴퓨팅 장치로 이어질 수 있음

연구원 팀은 전자 회로의 전류 흐름을 제어하는 ​​작은 스위치 내부의 초고속 원자 운동을 포착하는 새로운 방법을 고안했습니다. 사진은 Aditya Sood(왼쪽)와 Aaron Lindenberg(오른쪽)입니다. 크레딧: Greg Stewart/SLAC 국립 가속기 연구소

과학자들은 양자 전자 장치에서 초고속 스위칭의 원시 스냅샷을 찍습니다.

그들은 더 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨팅 장치로 이어질 수 있는 단기 상태를 발견합니다.

정보를 계산하고 저장하는 전자 회로에는 전류의 흐름을 제어하는 ​​수백만 개의 작은 스위치가 포함되어 있습니다. 이러한 작은 스위치의 작동 방식에 대한 더 깊은 이해는 연구원들이 현대 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘는 데 도움이 될 수 있습니다.

과학자들은 이제 스위치 중 하나가 켜지고 꺼질 때 내부에서 움직이는 원자의 첫 번째 스냅샷을 만들었습니다. 무엇보다도 그들은 스위치 내부에서 언젠가 더 빠르고 에너지 효율적인 컴퓨팅 장치에 악용될 수 있는 단기 상태를 발견했습니다.

에너지부의 SLAC 국립 가속기 연구소, 스탠포드 대학, 휴렛 팩커드 연구소, 펜실베니아 주립 대학 및 퍼듀 대학의 연구팀은 에 발표된 논문에서 그들의 작업을 설명합니다. 과학 오늘(2021년 7월 15일).

“이 연구는 초고속 기술과 과학의 돌파구입니다.”라고 SLAC 과학자이자 협력자인 Xijie Wang이 말했습니다. “연구원들이 샘플에서 강한 전자빔을 산란시켜 물질의 미세한 원자 운동을 감지할 수 있는 초고속 전자 회절을 사용하여 작동하는 전자 장치를 관찰한 것은 이번이 처음입니다.”

초고속 스위칭 양자 전자 소자

팀은 여기에 파란색으로 표시된 전기 펄스를 사용하여 필요에 따라 스위치를 여러 번 켜고 끕니다. 그들은 이러한 전기 펄스가 SLAC MeV-UED의 초고속 전자 회절 소스에 의해 생성된 전자 펄스보다 먼저 도달하도록 시간을 정했는데, 이는 스위치가 켜지고 꺼질 때 이러한 스위치 내부에서 발생하는 원자 운동을 포착했습니다. 크레딧: Greg Stewart/SLAC 국립 가속기 연구소

세션 캡처

이 실험을 위해 팀이 맞춤 설계된 소형 전자 스위치는 실온 근처에서 절연 상태와 전기 전도성 상태 사이를 왔다 갔다 할 수 있는 모델 양자 물질인 바나듐 이산화물로 만들어 미래 컴퓨팅의 핵심으로 활용할 수 있습니다. 이 물질은 또한 인간의 뇌에서 발화되는 신경 충동을 모방하는 전자 충동을 생성하는 능력으로 인해 뇌에서 영감을 받은 컴퓨팅에도 응용할 수 있습니다.

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연구원들은 전기 펄스를 사용하여 이러한 스위치를 절연 상태와 전도 상태 사이에서 앞뒤로 토글하면서 10억분의 1초 동안 원자 배열의 미세한 변화를 보여주는 스냅샷을 찍었습니다. SLAC의 초고속 전자 회절 카메라인 MeV-UED로 캡처한 이 스냅샷은 원자 운동의 분자 필름을 만들기 위해 함께 연결되었습니다.


수석 연구원인 Aditya Sood는 전자 회로 내에서 소형 스위치가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해할 수 있는 새로운 연구에 대해 논의합니다. 크레딧: Olivier Bonin/SLAC 국립 가속기 연구소

스탠포드 재료 및 에너지 과학 연구소(SIMES)의 연구원인 아론 린덴버그(Aaron Lindenberg) 공동 연구원은 “이 초고속 카메라는 실제로 물질 내부를 들여다보고 날카로운 전기 여기 펄스에 반응하여 원자가 어떻게 움직이는지 빠르게 이미지를 찍을 수 있습니다.”라고 말했습니다. SLAC. 그는 스탠퍼드대학교 재료공학과 교수이다. “동시에 그 물질의 전자적 특성이 시간이 지남에 따라 어떻게 변하는지 측정합니다.”

이 카메라를 사용하여 팀은 재료 내에서 새로운 중간 상태를 발견했습니다. 재료가 절연 상태에서 전도성 상태로 전환하여 전기 펄스에 반응할 때 생성됩니다.

SLAC 과학자이자 협력자인 Xiaozhe Shen은 “절연 상태와 전도 상태는 원자 배열이 약간 다르며 일반적으로 에너지가 필요합니다. 그러나 이 중간 상태를 통해 전이가 일어날 때 원자 배열의 변화 없이 스위치가 일어날 수 있다”고 말했다.

원자 운동에 대한 창 열기

중간 상태는 수백만 분의 1초 동안 존재하지만 재료의 불완전성으로 인해 안정화됩니다.

이 연구를 계속하기 위해 팀은 이 새로운 상태를 보다 안정적이고 오래 지속시키기 위해 재료의 이러한 결함을 엔지니어링하는 방법을 찾고 있습니다. 이를 통해 원자 운동 없이 전자 스위칭이 발생할 수 있는 장치를 만들 수 있으며 더 빠르게 실행되고 더 적은 전력이 필요합니다.

“이 결과는 수백만 사이클에 걸친 전기 스위칭의 견고함을 보여주고 그러한 장치의 스위칭 속도에 대한 잠재적인 한계를 정의합니다.”라고 퍼듀 대학교의 교수인 Shriram Ramanathan이 말했습니다. “이 연구는 미래의 회로 모델 설계에 중요한 장치 작동 중에 발생하는 미세한 현상에 대한 귀중한 데이터를 제공합니다.”

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이 연구는 또한 자연 조건에서 발견되지 않는 물질을 합성하는 새로운 방법을 제공하여 과학자들이 초고속 시간 척도에서 물질을 모니터링한 다음 속성을 미세 조정할 수 있도록 합니다.

SIMES의 주저자이자 연구원인 Aditya Sood는 “이 방법은 작동 중인 장치를 관찰하는 새로운 방법을 제공하고 원자가 어떻게 움직이는지 볼 수 있는 창을 엽니다. “전통적으로 특권을 누리던 전기 공학 및 초고속 과학 분야의 아이디어를 결합하는 것은 흥미진진합니다. 우리의 접근 방식은 지능형 데이터 집약적 컴퓨팅에 대한 세계의 증가하는 요구를 충족할 수 있는 차세대 전자 장치의 생성을 가능하게 할 것입니다.”

MeV-UED는 이 연구에 자금을 지원한 Department of Energy의 Office of Science를 대신하여 SLAC에서 운영하는 LCLS 사용자 시설을 위한 도구입니다.

SLAC는 우주가 가장 큰 것, 가장 작은 것, 가장 빠른 규모에서 어떻게 작동하는지 탐구하고 전 세계 과학자들이 사용하는 강력한 도구를 만드는 활기찬 다중 프로그램 실험실입니다. 입자 물리학, 천체 물리학, 우주론, 재료, 화학, 생명 과학, 에너지 및 과학 컴퓨팅을 포함하는 연구를 통해 실제 문제를 해결하고 국가의 이익을 증진합니다.

SLAC는 미국 에너지부의 Stanford University Office of Science에서 운영합니다. Office of Science는 미국 물리학 기초 연구의 가장 큰 후원자이며 우리 시대의 가장 시급한 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다.

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