20 ナノ秒の電気パルスの前後に撮影された回折パターン。小さな白い点の星形のパターン (左) は、初期の電荷密度の波パターンに対応しており、電気パルスの熱によって一時的に溶解します (右)。提供元: アルゴンヌ国立研究所。
今日のスーパーコンピュータは、数千世帯の電力使用量に相当する膨大な量のエネルギーを消費します。これに対応して、研究者は人工ニューラル ネットワークを活用した、よりエネルギー効率の高い次世代スーパーコンピュータを開発しています。
これらのネットワークは、脳の基本単位であるニューロンのプロセスを模倣しています。 人間の脳この模倣は、特定の物質で発生する電荷密度波によって実現できます。電荷密度波は、相関的に移動する電子（負に帯電した粒子）の波のようなパターンです。
電荷密度波は、材料内の電子の移動に対する抵抗を増加させます。波を制御できれば、抵抗のオン/オフを高速に切り替えることができます。この特性は、よりエネルギー効率の高いコンピューティングや超高精度のセンシングに活用できます。ただし、波が 200 億分の 1 秒以内に 1 つの状態から別の状態に変化することを考えると、スイッチング プロセスがどのように発生するかは明らかではありません。
米国エネルギー省（DOE）アルゴンヌ国立研究所の研究者らは、これらの波を研究する新しい方法を発見した。この研究に当たって、研究者らはアルゴンヌにあるDOE科学局のユーザー施設、ナノスケール材料センターの超高速電子顕微鏡を利用した。彼らは、室温で電荷密度波を形成することが知られている物質内のナノ秒ダイナミクスを電気パルスを使用して観察する新しい顕微鏡技術を開発した。この物質は1T-TaS2と呼ばれる硫化タンタルである。
研究チームは、電気パルスを発生させるために 2 つの電極を取り付けたこの硫化物の薄片をテストしました。短いパルスの間、結果として生じる高電界または電流が抵抗の切り替えを引き起こすと考えられていました。しかし、超高速電子顕微鏡による 2 つの観察により、この理解は変わりました。
まず、電荷密度波は、ナノ秒パルスであっても、注入された電流自体ではなく、注入された電流によって発生した熱に反応して溶解しました。次に、 電気パルス 物質全体に太鼓のような振動を引き起こし、波の配列を揺らしました。
「この新しい技術のおかげで、電気が電荷密度波の状態を操作する、これまで観察されていなかった 2 つの方法を突き止めました」とアルゴンヌ国立研究所のポスドク研究員ダニエル・ダーラム氏は語る。「融解反応は脳内でニューロンが活性化される様子を模倣し、振動反応は神経ネットワーク内でニューロンのような発火信号を生成する可能性があります。」
この研究は、こうしたタイプの電気スイッチング プロセスを調べるための新しいアプローチを示しています。この超高速電子顕微鏡法によって、研究者はマイクロエレクトロニクス材料がナノスケールの長さとナノ秒の速度でどのように機能するかを観察できます。
より小型で高速、かつ効率的なマイクロエレクトロニクスデバイスへの取り組みにより、1T-TaS2 のような材料が魅力的になっています。また、ナノスケールの層として形成できることも、このようなデバイスにとって魅力的です。
アルゴンヌ国立研究所の材料科学者で副部門長のチャルダッタ・ファタック氏によると、この新技術はエネルギー効率の高いマイクロエレクトロニクスに幅広く応用できる成果を生み出したという。
「これらをコントロールする基本的なメカニズムを理解することは 電荷密度波 「これは他の材料の特性を制御するために適用できるため重要です」とファタック氏は述べた。
この研究は、 物理レビューレターダーラムとファタックの他に、トーマス・ゲージ、コナー・ホーン、シュエダン・マー、ハイフア・リウ、イルケ・アルスラン、スプラティック・グハなどの著者がいます。
詳しくは：
Daniel B. Durham他「1T−TaS2における電荷密度波の電気的融解中のナノ秒構造ダイナミクス」、Physical Review Letters（2024）。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
によって提供された
アルゴンヌ国立研究所
引用: 超高速電子顕微鏡技術により、脳のようなコンピューティングに適用可能なプロセスの理解が進む (2024 年 8 月 5 日) 2024 年 8 月 5 日に https://phys.org/news/2024-08-ultrafast-electron-microscopy-technique-advances.html から取得
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#超高速電子顕微鏡技術により脳のようなコンピューティングに応用可能なプロセスの理解が進む
2024-08-05 16:44:09