Os circuitos eletrônicos que calculam e armazenam informações contêm milhões de pequenos interruptores que controlam o fluxo da corrente elétrica. Uma compreensão mais profunda de como esses minúsculos interruptores funcionam pode ajudar os pesquisadores a expandir as fronteiras da computação moderna.
Agora os cientistas fizeram os primeiros instantâneos de átomos movendo-se dentro de um desses interruptores conforme ele liga e desliga. Entre outras coisas, eles descobriram um estado de curta duração dentro do switch que poderia algum dia ser explorado para dispositivos de computação mais rápidos e com maior eficiência energética.
A equipe de pesquisa do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia, da Stanford University, da Hewlett Packard Labs, da Penn State University e da Purdue University descreveu seu trabalho em um artigo publicado na Science hoje.
“Esta pesquisa é um avanço em tecnologia e ciência ultrarrápidas”, disse o cientista e colaborador do SLAC Xijie Wang. “É a primeira vez que os pesquisadores usaram difração de elétrons ultrarrápida, que pode detectar movimentos atômicos minúsculos em um material espalhando um poderoso feixe de elétrons de uma amostra, para observar um dispositivo eletrônico enquanto ele opera.”
Capturando o ciclo
Para este experimento, a equipe projetou comutadores eletrônicos em miniatura feitos de dióxido de vanádio, um material quântico prototípico cuja capacidade de alternar entre estados de isolamento e condutores elétricos próximos à temperatura ambiente poderia ser aproveitada como um interruptor para computação futura. O material também tem aplicações na computação inspirada no cérebro por causa de sua capacidade de criar pulsos eletrônicos que imitam os impulsos neurais disparados no cérebro humano.
Os pesquisadores usaram pulsos elétricos para alternar esses interruptores entre os estados isolante e condutor, enquanto tiravam fotos que mostravam mudanças sutis no arranjo de seus átomos ao longo de bilionésimos de segundo. Essas fotos, tiradas com a câmera ultrarrápida de difração de elétrons do SLAC, MeV-UED, foram combinadas para criar um filme molecular dos movimentos atômicos.
“Esta câmera ultrarrápida pode realmente olhar dentro de um material e tirar fotos de como seus átomos se movem em resposta a um forte pulso de excitação elétrica”, disse o colaborador Aaron Lindenberg, investigador do Instituto Stanford de Materiais e Ciências da Energia (SIMES) do SLAC e professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Stanford. “Ao mesmo tempo, também mede como as propriedades eletrônicas desse material mudam com o tempo.”
Com esta câmera, a equipe descobriu um novo estado intermediário dentro do material. É criado quando o material responde a um pulso elétrico, passando do estado isolante para o estado condutor.
“Os estados isolantes e condutores têm arranjos atômicos ligeiramente diferentes e geralmente leva energia para ir de um para o outro”, disse o cientista e colaborador do SLAC Xiaozhe Shen. “Mas quando a transição ocorre por meio desse estado intermediário, a troca pode ocorrer sem nenhuma alteração no arranjo atômico.”
Abrindo uma janela no movimento atômico
Embora o estado intermediário exista por apenas alguns milionésimos de segundo, ele é estabilizado por defeitos no material.
Para dar continuidade a essa pesquisa, a equipe está investigando como projetar esses defeitos em materiais para tornar esse novo estado mais estável e duradouro. Isso permitirá que eles façam dispositivos nos quais a comutação eletrônica possa ocorrer sem qualquer movimento atômico, o que operaria mais rápido e exigiria menos energia.
“Os resultados demonstram a robustez da comutação elétrica ao longo de milhões de ciclos e identificam possíveis limites para as velocidades de comutação de tais dispositivos”, disse o colaborador Shriram Ramanathan, professor da Purdue. “A pesquisa fornece dados valiosos sobre fenômenos microscópicos que ocorrem durante as operações do dispositivo, o que é crucial para projetar modelos de circuito no futuro.”
A pesquisa também oferece uma nova maneira de sintetizar materiais que não existem em condições naturais, permitindo aos cientistas observá-los em escalas de tempo ultrarrápidas e, então, potencialmente ajustar suas propriedades.
“Este método nos dá uma nova maneira de observar os dispositivos conforme eles funcionam, abrindo uma janela para ver como os átomos se movem”, disse o autor principal e pesquisador do SIMES, Aditya Sood. “É empolgante reunir ideias de campos tradicionalmente distintos da engenharia elétrica e da ciência ultrarrápida. Nossa abordagem permitirá a criação de dispositivos eletrônicos de próxima geração que podem atender às necessidades crescentes do mundo por computação inteligente e com uso intensivo de dados.”
Publicado em 18/07/2021 15h41
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