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Pesquisadores estão avançando na supercomputação com eficiência energética ao aproveitar ondas de densidade de carga em materiais, uma técnica que imita neurônios cerebrais. Novos métodos de microscopia no Argonne National Laboratory estão revelando como essas ondas podem ser manipuladas por meio da eletricidade, oferecendo insights sobre dispositivos microeletrônicos mais rápidos, menores e mais eficientes. Crédito: SciTechDaily.com
Ondas de densidade de carga têm aplicações em computação de última geração e com eficiência energética.
Cientistas usaram um microscópio eletrônico ultrarrápido para capturar as mudanças de nanossegundos em um material durante a pulsação elétrica. Entender essas mudanças pode levar a eletrônicos mais eficientes em termos de energia.
Os supercomputadores de hoje consomem grandes quantidades de energia, equivalente ao uso de energia de milhares de lares. Em resposta, os pesquisadores estão desenvolvendo uma forma mais eficiente em termos de energia de supercomputação de última geração que alavanca redes neurais artificiais. Essas redes imitam os processos dos neurônios, a unidade básica do cérebro humano. Essa imitação pode ser alcançada por meio das ondas de densidade de carga que ocorrem em certos materiais. As ondas de densidade de carga são padrões semelhantes a ondas de elétrons — partículas carregadas negativamente — que se movem de forma correlacionada.
Desvendando a dinâmica das ondas de densidade de carga
As ondas de densidade de carga aumentam a resistência ao movimento de elétrons no material. A capacidade de controlar as ondas poderia fornecer uma rápida comutação da resistência ligada e desligada. Essa propriedade poderia então ser explorada para uma computação mais eficiente em termos de energia, bem como para uma detecção ultraprecisa. No entanto, não está claro como o processo de comutação ocorre, especialmente considerando que as ondas mudam de um estado para outro em 20 bilionésimos de segundo.
“Esta nova técnica produziu resultados com amplas aplicações em microeletrônica de eficiência energética.”
— Charudatta Phatak, cientista de materiais e vice-diretor de divisão
Avanços em Microscopia no Laboratório Nacional Argonne
Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) encontraram uma nova maneira de estudar essas ondas. Para isso, eles recorreram ao microscópio eletrônico ultrarrápido do Center for Nanoscale Materials, uma instalação de usuário do DOE Office of Science em Argonne. Eles desenvolveram uma nova técnica de microscopia que usa pulsos elétricos para observar a dinâmica de nanossegundos dentro de um material que é conhecido por formar ondas de densidade de carga em temperatura ambiente. Esse material é um sulfeto de tântalo conhecido como 1T-TaS2.
A equipe testou um floco desse sulfeto com dois eletrodos conectados para gerar pulsos elétricos. Durante pulsos curtos, pensou-se que o alto campo elétrico ou as correntes resultantes poderiam conduzir a comutação de resistência. Mas duas observações do microscópio eletrônico ultrarrápido mudaram esse entendimento.
Padrões de difração capturados antes e depois de um pulso elétrico de 20 nanossegundos. O padrão em forma de estrela de pequenos pontos brancos, à esquerda, corresponde ao padrão de onda de densidade de carga inicial, que é temporariamente derretido pelo calor do pulso elétrico, à direita. Crédito: Argonne National Laboratory
Primeiro, as ondas de densidade de carga derreteram em resposta ao calor gerado pela corrente injetada, em vez da corrente de carga em si, mesmo durante pulsos de nanossegundos. Segundo, os pulsos elétricos induziram vibrações semelhantes a tambores através do material, o que abalou o arranjo das ondas.
“Graças a essa nova técnica, determinamos essas duas maneiras não observadas anteriormente nas quais a eletricidade pode manipular o estado das ondas de densidade de carga”, disse Daniel Durham, pesquisador de pós-doutorado em Argonne. “E a resposta de fusão imita como os neurônios são ativados no cérebro, enquanto a resposta vibracional pode gerar sinais de disparo semelhantes aos neurônios em uma rede neural.”
Este estudo demonstra uma nova abordagem para examinar esses tipos de processos de comutação elétrica. Este método de microscopia eletrônica ultrarrápida permite que os pesquisadores observem como os materiais microeletrônicos funcionam em nanoescala comprimentos e velocidades de nanossegundos.
A busca por dispositivos microeletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes torna um material como o 1T-TaS2 atraente. E sua capacidade de ser formada como uma camada nanoescala também a torna atraente para tais dispositivos.
Essa nova técnica produziu resultados com amplas aplicações em microeletrônica de eficiência energética, de acordo com Charudatta Phatak, cientista de materiais e vice-diretor de divisão da Argonne.
“Entender os mecanismos fundamentais de como podemos controlar essas ondas de densidade de carga é importante porque isso pode ser aplicado a outros materiais para controlar suas propriedades”, disse Phatak.
Esta pesquisa foi publicada em Cartas de revisão física.
Referência: “Dinâmica estrutural de nanossegundos durante a fusão elétrica de ondas de densidade de carga em 1T−TaS2” por Daniel B. Durham, Thomas E. Gage, Connor P. Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan, Supratik Guha e Charudatta Phatak, 28 de maio de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226201
Além de Durham e Phatak, os autores incluem Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan e Supratik Guha. Horn e Guha têm compromissos conjuntos no Universidade de Chicago.
Este trabalho foi apoiado pelo edital do Departamento de Ciência do DOE para pesquisa em microeletrônica.