Los científicos utilizaron un microscopio electrónico ultrarrápido para capturar cambios de nanosegundos en la materia durante pulsos eléctricos. Comprender estos cambios podría conducir a una electrónica más eficiente desde el punto de vista energético.
Las supercomputadoras actuales consumen enormes cantidades de energía, equivalente al consumo de energía de miles de hogares. En respuesta, los investigadores están desarrollando una forma de supercomputación de próxima generación con mayor eficiencia energética que utiliza redes neuronales artificiales. Estas redes imitan los procesos de neuronas individuales básicas en el cerebro humano. Esta simulación se puede lograr mediante ondas de densidad de carga que ocurren en ciertos materiales. Las ondas de densidad de carga son patrones ondulatorios de electrones (partículas cargadas negativamente) que se mueven de forma correlacionada.
Las ondas de densidad de carga aumentan la resistencia del material al movimiento de los electrones. La capacidad de controlar la onda puede permitir un rápido encendido y apagado de la resistencia. Esta propiedad luego se puede utilizar para una computación más eficiente energéticamente, así como para una detección de ultraprecisión. Sin embargo, no está claro cómo se produce el proceso de conmutación, sobre todo porque las ondas cambian de un estado a otro en 20 milmillonésimas de segundo.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han encontrado una nueva forma de estudiar estas ondas. Para ello, recurrieron a microscopios electrónicos ultrarrápidos en el Centro de Materiales a Nanoescala, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne. Desarrollaron una nueva técnica de microscopía que utiliza pulsos eléctricos para observar la dinámica de nanosegundos en un material que se sabe que forma ondas de densidad de carga a temperatura ambiente. Ese material es un sulfuro de tantalio llamado 1T-TaS.2.
El equipo probó una escama de este sulfuro unida a dos electrodos para generar pulsos eléctricos. Durante el pulso corto, se pensó que el alto campo eléctrico o corriente resultante podría impulsar la resistencia de conmutación. Pero dos observaciones realizadas con el microscopio electrónico ultrarrápido cambiaron esta comprensión.
Primero, las ondas de densidad de carga se funden en respuesta al calor generado por la corriente inyectada en lugar de la corriente de carga, incluso durante pulsos de nanosegundos. En segundo lugar, el pulso eléctrico induce una vibración similar a un tambor a través del material, que hace oscilar el patrón de onda.
“Gracias a esta nueva técnica hemos determinado dos formas nunca antes vistas en las que la electricidad puede manipular el estado de las ondas de densidad de carga”, dijo Daniel Durham, investigador postdoctoral en Argonne. “Y la respuesta de fusión imita cómo se activan las neuronas en el cerebro, mientras que la respuesta vibratoria puede generar señales de activación similares a las de las neuronas en una red neuronal”.
Este estudio demuestra un nuevo enfoque para examinar estos tipos de procesos de conmutación eléctrica. Este método de microscopía electrónica ultrarrápida permite a los investigadores observar cómo se comportan los materiales microelectrónicos a longitudes de nanoescala y velocidades de nanosegundos.
El impulso hacia dispositivos microelectrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes crea un material como 1T-TaS2 atractivo y su capacidad para formarse como una capa a nanoescala también lo hace atractivo para tales dispositivos.
Esta nueva técnica ha dado resultados con una amplia gama de aplicaciones en microelectrónica energéticamente eficiente, según Charudatta Phatak, científica de materiales y subdirectora de división de Argonne.
“Comprender los mecanismos fundamentales de cómo podemos controlar estas ondas de densidad de carga es importante porque se puede aplicar a otros materiales para controlar sus propiedades”, dijo Phatak.
Este trabajo fue apoyado por la Convocatoria de Investigación en Microelectrónica de la Oficina de Ciencias del DOE.
Connor Horne y Supratik Guha han sido reclutados conjuntamente para la Universidad de Chicago.