Snapshot switching ultra cepat dalam elektronik kuantum dapat menghasilkan perangkat komputasi yang lebih cepat

Sebuah tim peneliti telah menemukan cara baru untuk menangkap gerakan atom ultra-cepat di dalam sakelar kecil yang mengontrol aliran arus di sirkuit elektronik. Dalam foto adalah Aditya Sood (kiri) dan Aaron Lindenberg (kanan). Kredit: Greg Stewart/Laboratorium Akselerator Nasional SLAC

Para ilmuwan mengambil snapshot mentah dari peralihan ultracepat dalam perangkat elektronik kuantum

Mereka menemukan keadaan berumur pendek yang dapat menghasilkan perangkat komputasi yang lebih cepat dan lebih hemat energi.

Sirkuit elektronik yang menghitung dan menyimpan informasi berisi jutaan sakelar kecil yang mengontrol aliran arus listrik. Pemahaman yang lebih dalam tentang cara kerja sakelar kecil ini dapat membantu para peneliti mendorong batas-batas komputasi modern.

Para ilmuwan kini telah membuat snapshot pertama dari atom yang bergerak di dalam salah satu sakelar itu saat dihidupkan dan dimatikan. Antara lain, mereka menemukan keadaan berumur pendek di dalam sakelar yang suatu hari nanti dapat dimanfaatkan untuk perangkat komputasi yang lebih cepat dan lebih hemat energi.

Tim peneliti dari Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi, Universitas Stanford, Laboratorium Hewlett Packard, Universitas Negeri Pennsylvania dan Universitas Purdue menggambarkan pekerjaan mereka dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Ilmu Hari ini (15 Juli 2021).

“Penelitian ini merupakan terobosan dalam teknologi dan sains ultra-cepat,” kata ilmuwan dan kolaborator SLAC Xijie Wang. “Ini adalah pertama kalinya para peneliti menggunakan difraksi elektron ultracepat, yang dapat mendeteksi gerakan atom kecil dalam suatu material dengan menyebarkan berkas elektron yang kuat dari sampel, untuk mengamati perangkat elektronik beraksi.”

Tim menggunakan pulsa listrik, yang ditunjukkan di sini dengan warna biru, untuk menghidupkan dan mematikan sakelar sesuai permintaan beberapa kali. Mereka mengatur waktu pulsa listrik ini untuk tiba sebelum pulsa elektron yang dihasilkan oleh sumber difraksi elektron ultracepat SLAC MeV-UED, yang menangkap gerakan atom yang terjadi di dalam sakelar ini saat dinyalakan dan dimatikan. Kredit: Greg Stewart/Laboratorium Akselerator Nasional SLAC

pengambilan sesi

Untuk percobaan ini, sakelar elektronik mini yang dirancang khusus oleh tim yang terbuat dari vanadium dioksida, bahan kuantum model yang kemampuannya untuk mengubah bolak-balik antara keadaan isolasi dan konduktor listrik di dekat suhu kamar dapat dimanfaatkan sebagai kunci untuk komputasi masa depan. Materi ini juga memiliki aplikasi dalam komputasi yang diilhami otak karena kemampuannya untuk menciptakan impuls elektronik yang meniru impuls saraf yang ditembakkan di otak manusia.

Para peneliti menggunakan pulsa listrik untuk mengaktifkan sakelar ini bolak-balik antara keadaan isolasi dan keadaan konduksi sambil mengambil foto yang menunjukkan perubahan kecil dalam susunan atom mereka selama sepermiliar detik. Foto-foto ini, ditangkap dengan kamera difraksi elektron ultra-cepat SLAC, MeV-UED, digabungkan untuk membuat film molekuler dari gerakan atom.

Peneliti utama Aditya Sood membahas penelitian baru yang dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana sakelar kecil bekerja dalam sirkuit elektronik. Kredit: Laboratorium Akselerator Nasional Olivier Bonin/SLAC

“Kamera ultracepat ini benar-benar dapat melihat ke dalam material dan mengambil gambar cepat tentang bagaimana atomnya bergerak sebagai respons terhadap denyut eksitasi listrik yang tajam,” kata kolaborator Aaron Lindenberg, seorang peneliti di Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) di SLAC. Dia adalah seorang profesor di Departemen Ilmu dan Teknik Material di Universitas Stanford. “Pada saat yang sama, itu juga mengukur bagaimana sifat elektronik dari material itu berubah dari waktu ke waktu.”

Dengan menggunakan kamera ini, tim menemukan keadaan peralihan baru di dalam materi. Itu dibuat ketika suatu bahan merespons pulsa listrik dengan beralih dari keadaan isolasi ke keadaan konduktif.

“Keadaan isolasi dan konduktor memiliki susunan atom yang sedikit berbeda, dan biasanya dibutuhkan energi untuk berpindah dari satu ke yang lain,” kata ilmuwan dan kolaborator SLAC Xiaozhe Shen. “Tetapi ketika transisi terjadi melalui keadaan peralihan ini, peralihan dapat terjadi tanpa perubahan dalam susunan atom.”

Membuka jendela tentang gerakan atom

Meskipun keadaan antara hadir selama beberapa sepersejuta detik, ia stabil karena ketidaksempurnaan dalam materi.

Untuk melanjutkan penelitian ini, tim sedang mencari cara untuk merekayasa cacat ini pada material untuk membuat keadaan baru ini lebih stabil dan tahan lama. Ini akan memungkinkan mereka untuk membuat perangkat di mana peralihan elektronik dapat terjadi tanpa gerakan atom, yang akan berjalan lebih cepat dan membutuhkan lebih sedikit daya.

“Hasilnya menunjukkan kekokohan switching listrik selama jutaan siklus, dan menentukan batas potensial untuk kecepatan switching untuk perangkat tersebut,” kata kolaborator Shriram Ramanathan, seorang profesor di Universitas Purdue. “Penelitian ini memberikan data yang tak ternilai tentang fenomena mikroskopis yang terjadi selama operasi perangkat, yang sangat penting untuk desain model sirkuit masa depan.”

Penelitian ini juga menawarkan metode baru untuk mensintesis bahan yang tidak ditemukan dalam kondisi alami, yang memungkinkan para ilmuwan untuk memantau mereka pada skala waktu yang sangat cepat dan kemudian menyempurnakan sifat mereka.

“Metode ini memberi kita cara baru untuk melihat perangkat beraksi, dan membuka jendela untuk melihat bagaimana atom bergerak,” kata penulis utama dan peneliti SIMES Aditya Sood. “Sangat menarik untuk menyatukan ide-ide dari bidang teknik elektro dan sains ultra-cepat yang secara tradisional istimewa. Pendekatan kami akan memungkinkan penciptaan perangkat elektronik generasi berikutnya yang dapat memenuhi kebutuhan dunia akan komputasi yang cerdas dan intensif data.”

MeV-UED adalah alat untuk Fasilitas Pengguna LCLS, yang dioperasikan oleh SLAC atas nama Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi, yang mendanai penelitian ini.

SLAC adalah laboratorium multi-program yang dinamis yang mengeksplorasi bagaimana alam semesta beroperasi pada skala terbesar, terkecil, dan tercepat serta menciptakan alat canggih yang digunakan oleh para ilmuwan di seluruh dunia. Melalui penelitian yang mencakup fisika partikel, astrofisika, kosmologi, material, kimia, biosains, energi, dan komputasi ilmiah, kami membantu memecahkan masalah dunia nyata dan memajukan kepentingan bangsa.

SLAC dioperasikan oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Universitas Stanford dari Departemen Energi AS. Office of Science adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan bekerja untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita.