“Las supercomputadoras y los centros de datos actuales exigen muchos megavatios de energía”, dice Haydan Owen, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). “Uno de los desafíos es encontrar materiales para una microelectrónica energéticamente más eficiente. Un candidato prometedor es un material ferroeléctrico que pueda usarse como componente de una microelectrónica energéticamente eficiente para redes neuronales artificiales”.
Los materiales ferroeléctricos se encuentran en una variedad de dispositivos de procesamiento de datos, como memorias de computadora, transistores, sensores y actuadores. Los investigadores de Argonne han informado de un sorprendente comportamiento adaptativo en un material ferroeléctrico que puede evolucionar paso a paso hasta un fin deseado, dependiendo de la cantidad de fotones de los pulsos de luz que inciden en el material. Junto a los investigadores de Argonne trabajan científicos de la Universidad Rice, la Universidad Estatal de Pensilvania y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE.
Los elementos de este grupo se caracterizan por islas o dominios conectados en red que son tan distintos como el petróleo en el agua. Estos dominios tienen un tamaño de nanómetros (millonésimas de metro) y pueden reorganizarse en respuesta a pulsos de luz. Este comportamiento adaptativo se puede utilizar en el movimiento de información energéticamente eficiente en microelectrónica.
La muestra ferroeléctrica del equipo está estructurada como un sándwich de capas alternas de titanato de plomo y estroncio. Desarrollado por colaboradores de la Universidad Rice, este sándwich de siete capas es 1.000 veces más delgado que una hoja de papel. Anteriormente, el equipo iluminó una muestra con un único e intenso pulso de luz y creó estructuras ordenadas uniformes a nanoescala.
“Esta vez golpeamos la muestra con muchos pulsos de luz débiles, cada uno de los cuales duró un cuarto de segundo”, dijo Owen. “Como resultado, dependiendo de la dosis óptica, se generó y obtuvo imágenes de una familia de estructuras de dominio en lugar de una sola estructura”.
Para visualizar las reacciones a nanoescala, el equipo recurrió a materiales a nanoescala y a la nanosonda (línea de luz 26-ID) operada por el Centro de Fuentes Avanzadas de Fotones (APS). Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Con la nanosonda, un haz de rayos X escaneó la muestra de diez nanómetros de diámetro mientras estaba expuesta a una andanada de pulsos de luz ultrarrápidos.
Las imágenes resultantes revelaron nanodominios en red que se crean, borran y reconfiguran debido a pulsos de luz. Las regiones y los límites de estos dominios evolucionan y se reorganizan hasta alcanzar longitudes de 10 nanómetros (unas 10.000 veces más cortas que un cabello humano) y 10 micrómetros, aproximadamente el tamaño de una gota de nube. El producto final depende de la cantidad de pulsos de luz utilizados para excitar la muestra.
“Al conectar un láser muy rápido a la línea de luz de la nanosonda, podemos iniciar y controlar cambios en nanodominios en red con pulsos de luz sin requerir mucha energía”, dijo el científico y líder del grupo de microscopía electrónica y de rayos X, Martin Holt.
La muestra comienza con una disposición de nanodominios similar a una telaraña y, tras la perturbación causada por pulsos de luz, la red se rompe y crea configuraciones completamente nuevas que actúan al servicio de algún fin deseado, de forma análoga a una red adaptativa.
“Hemos descubierto una disposición completamente nueva de estos nanodominios”, afirmó Stefan Hroszkiewicz, físico del argón y líder del grupo. “La puerta ahora está abierta a muchos más descubrimientos. En el futuro, podremos probar diferentes regímenes de estimulación luminosa y observar más nanodominios y redes desconocidos”. La capacidad de visualizar cambios a nanoescala a lo largo del tiempo mejorará enormemente con las recientes actualizaciones del APS, que prometen haces de rayos X 500 veces más brillantes.
Con este descubrimiento revolucionario de los cambios dependientes del tiempo en los nanodominios en red, los desarrolladores están en camino de crear redes adaptables para el almacenamiento y procesamiento de información. Estos avances prometen crear sistemas informáticos más eficientes energéticamente.
Este estudio se basa en un trabajo de investigación. Materiales avanzados. Además de Owen, Holt y Hruzkiewicz, los autores incluyen a Mark Zajac, Tao Zhou, Tianan Yang, Sujit Das, Yu Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Matthew Cherukara, John Freeland, Venkatramon Gopalan, Ramamurthy Ramesh, Long Martin y Lenning. Martín. saber
La financiación para la investigación provino de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.