Superpočítače inspirované mozkem: Využití vln hustoty náboje

13. 8. 2024 (mai) - Nedávno jsem psal o tom, jak kvantové počítače mohou přinést zásadní změny do matematických modelů neuronových sítí. V květnu tohoto roku však vědci oznámili pozoruhodný objev: jak prostřednictvím elektřiny manipulovat s vlnami hustoty náboje v materiálech. Tato technika téměř dokonale napodobuje činnost mozkových neuronů.

Vlny hustoty náboje, které se vyskytují v některých materiálech, představují vlnové vzory elektronů pohybujících se materiálem ve vzájemné korelaci. Tyto vlny zvyšují odpor vůči pohybu elektronů. Schopnost ovládat tyto vlny by mohla umožnit rychlé zapínání a vypínání odporu, což je vlastnost, která by mohla být využita nejen pro energeticky efektivní výpočty, ale i pro ultrapřesné snímání. Ačkoli změny ve vlnách hustoty náboje probíhají během 20 miliardtin sekundy, dosud nebylo jasné, jak k těmto rychlým změnám dochází.

Výzkumníci z Argonne National Laboratory, která spadá pod americké ministerstvo energetiky (DOE), nyní objevili nový způsob, jak tyto vlny studovat. Za tímto účelem použili ultrarychlý elektronový mikroskop v Center for Nanoscale Materials, zařízení DOE Office of Science v Argonne. Vyvinuli novou mikroskopickou techniku, která využívá elektrické impulzy k pozorování nanosekundové dynamiky v materiálu známém svou schopností tvořit vlny hustoty náboje při pokojové teplotě. Tento materiál, sulfid tantalu, je označován jako 1T-TaS₂.

Tým testoval vzorek tohoto sulfidu se dvěma elektrodami, které byly připojeny k generování elektrických impulzů. Očekávalo se, že vysoké elektrické pole nebo proudy vzniklé během krátkých pulzů budou řídit odporové spínání. Dvě pozorování z ultrarychlého elektronového mikroskopu však změnila dosavadní chápání tohoto jevu.

Za prvé, rozklad vln hustoty náboje byl vyvolán spíše teplem generovaným vstřikovaným proudem než samotným nabíjecím proudem, a to i během nanosekundových pulzů. Za druhé, elektrické pulzy způsobily vibrace materiálu připomínající bubnové údery, které narušily uspořádání vln.

"Díky této nové technice jsme identifikovali dva dříve nepozorované způsoby, jak může elektřina ovlivňovat stav vln hustoty náboje," uvedl Daniel Durham, výzkumník z Argonne. "Reakce vlnového rozkladu připomíná způsob, jakým jsou aktivovány neurony v mozku, zatímco vibrační reakce by mohla generovat signály podobné těm v neuronových sítích," dodal.

Tato studie představuje nový přístup ke zkoumání elektrických spínacích procesů. Metoda ultrarychlé elektronové mikroskopie umožňuje vědcům sledovat, jak mikroelektronické materiály fungují na nanoměřítku a v nanosekundových časových intervalech.

Úsilí o vývoj menších, rychlejších a účinnějších mikroelektronických zařízení činí materiál, jako je 1T-TaS₂, velmi atraktivním, zejména díky jeho schopnosti vytvářet nanovrstvy.

Nová technika má široké možnosti využití pro energeticky úspornou mikroelektroniku a umožňuje aplikaci komplexnějších matematických modelů neuronů a neuronových sítí. Charudatta Phatak, materiálový vědec a zástupce ředitele divize v Argonne, zdůrazňuje: "Porozumění základním mechanismům, jak můžeme ovládat tyto vlny hustoty náboje, je klíčové, protože tyto znalosti lze aplikovat i na další materiály pro ovlivnění jejich vlastností."

DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201

-mai