超速摄像头显示神经形态材料的秘密

想象一个电脑,可以认为人类大脑一样快而使用很少的能量。的科学家们试图发现或开发的目标材料,可以发送和处理信号,像大脑的神经元和突触。确定量子材料的内在能力之间切换两种截然不同的形式(或更多)可能听起来这些未来“神经形态”计算的关键技术。

在一篇发表在《华尔街日报》物理评论X,物理学家朱Yimei美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和他的同事描述令人惊讶的新细节二氧化钒,最有前途的神经形态材料之一。使用收集的数据通过一个独特的“频闪相机,”研究小组捕捉隐藏的原子运动的轨迹,这种材料从绝缘体转变到一个金属在回应一个脉冲的光。他们的发现可以帮助指导高速的合理设计和节能神经形态设备。

“减少能源消耗的一种方法在人工神经元和突触brain-inspired计算是利用量子材料的明显的非线性特性,”朱说。这种能源效率”背后的主要思想是,在量子材料,一个小电刺激可能产生很大的反应,可以电子,机械,光学,或通过改变磁性材料状态。”

“二氧化钒是一种罕见的,神奇的材料,已经成为一种很有前途的候选人neuro-mimetic仿生设备,”他说。展品在室温附近insulator-metal过渡这一个小电压或电流会产生一个大电阻率变化与转换,可以模仿行为的神经元(神经细胞)和神经突触(它们之间的连接)。

“从完全绝缘,像橡胶,一个非常好的金属导体,电阻率变化的10000倍以上,”朱说。

这两个非常不同的物理状态,内在相同的材料,可以为认知计算编码。

可视化超速的原子运动

在他们的实验中,科学家们引发了以极短的脉冲光photons-particles过渡。然后他们抓住材料的量子反应使用兆电子伏超快电子衍射(MeV-UED)布鲁克海文开发工具。

你可以把这个工具类似于一个传统相机的快门开在一个黑暗的环境中,发射间歇性闪烁捕获抛出一个球。与每一个闪光灯,相机记录图像;这一系列在不同时间拍摄的图像揭示了球的飞行轨迹。

MeV-UED“频闪”捕获一个移动物体的动力学以类似的方式,但在更快的时间尺度(小于1000000000000秒),在规模小得多的长度(小于1000000000毫米)。它使用高能电子揭示原子的轨迹!

“以前静态测量显示只有初始和最终状态的二氧化钒insulator-to-metal过渡,但详细的过渡过程不见了,”李说俊杰,论文的第一作者。“我们的超快的测量允许我们看到原子转移到捕捉短暂的瞬态(或“隐藏”)都应当帮助我们理解的动态过渡。”

照片就别告诉整个故事。捕获超过100000后“镜头”,科学家们使用复杂的时间晶体分析技术解决他们发达完善的几十个“电子衍射峰的强度变化。“这些信号产生的二氧化钒原子散射的电子样本作为其轨道原子和电子从绝缘子状态转移到金属状态。

“我们的仪器使用加速器技术来生成电子的能量3兆电子伏,50倍高于小实验室超快电子显微镜和衍射仪器,”朱说。“更高的能量让我们追踪电子散落在更广泛的角度,这意味着能够“看到”运动的原子在较小的距离,更好的精度。”

两阶段动态和弯曲的道路

分析显示,发生在两个阶段的过渡,第二阶段是持久的和较慢的速度比第一。它还表明,原子的运动轨迹的第二阶段并不是线性的。

“你会认为轨迹从A到B的位置将直接直接线——最短的距离。相反,它是一条曲线。这是完全出乎意料,”朱说。

曲线是一个迹象表明,还有另一种力量,在转型中也扮演了重要的角色。

回想的频闪照片球的轨迹。当你扔一个球,你施加一个力。但另一个力,重力,也把球在地上,导致轨迹曲线。

在二氧化钒的情况下,光脉冲的力量得到了转变,和原子轨道曲率是由于钒原子周围的电子轨道。

有关的研究还显示,测量光强用于触发原子动力学可以改变原子trajectories-similar迫使你的方式对一个球可以影响它的路径。力足够大时,系统(球或原子)附近的交互实现竞争可以克服线性路径。

来验证和确认他们的实验结果,进一步理解原子动力学,该小组还进行了分子动力学和密度泛函理论计算。这些建模研究帮助他们解读部队跟踪结构的累积效应改变了在转换过程中,原子运动提供了时间分辨的快照。

本文描述了理论与实验研究的结合提供了详细的信息,包括钒如何“二聚体”(绑定对钒原子)拉伸和旋转在转换过程中随着时间的推移。研究还对二氧化钒成功解决一些长期存在的科学问题,包括存在的一个中间阶段insulator-to-metal过渡期间,photoexcitation-induced热加热的作用,不完整的转换光激励下的起源。

本研究启示了科学家们了解光诱导电子和晶格动力学的影响这一特定阶段过渡,也应该帮助继续推动的进化计算技术。

当谈到计算机,模拟人脑,朱说,“我们仍然有很长的路要走,但我认为我们是在正确的轨道上。”

本研究主要由美国能源部科学办公室资助。3兆电子伏超快电子衍射(MeV-UED)仪器开发一系列实验室指导研发奖和布鲁克海文实验室的加速器操作和维护测试设备(ATF)——美国能源部科学办公室用户设备。

参考吴:李J, L,杨年代,et al。直接检测V-V原子二聚和旋转动态路径在超快光致激发在签证官₂。物理评论X。2022;12 (2):021032。doi:10.1103 / PhysRevX.12.021032

本文从以下转载材料。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。