Rendering artistico che rappresenta impulsi luminosi che producono trasformazioni adattive in strutture di nanodomini applicabili al calcolo neuromorfico.
I ricercatori hanno rivelato una risposta adattativa con un dispositivo ferroelettrico corrispondente agli impulsi luminosi in un modo che ricorda la plasticità delle reti neurali. Questo comportamento potrebbe trovare applicazione nella microelettronica ad alta efficienza energetica
Le reti adattive possono percepire e adattarsi agli ambienti dinamici per ottimizzare le loro prestazioni. Comprendere le loro risposte su scala nanometrica agli stimoli esterni è essenziale per le applicazioni nei nanodispositivi e nell'informatica neuromorfica. Tuttavia, è difficile immaginare tali risposte su scala nanometrica con sensibilità cristallografica. «I supercomputer e i data center di oggi richiedono molti megawatt di energia», ha affermato il dottor Haidan Wen (1), fisico presso l’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (United States Department of Energ - DOE). «Una sfida è trovare materiali per una microelettronica più efficiente dal punto di vista energetico. Un candidato promettente è un materiale ferroelettrico che può essere utilizzato per reti neurali artificiali come componente nella microelettronica ad alta efficienza energetica».
I materiali ferroelettrici si possono trovare in diversi tipi di dispositivi di elaborazione delle informazioni, come memorie di computer, transistor, sensori e attuatori. I ricercatori dell'Argonne segnalano un comportamento adattivo sorprendente in un materiale ferroelettrico che può evolversi passo dopo passo fino al raggiungimento del traguardo desiderato, a seconda della quantità di fotoni provenienti dagli impulsi luminosi che colpiscono il materiale. A lavorare insieme ai ricercatori dell’Argonne c’erano scienziati della Rice University, della Pennsylvania State University e del Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE.
Il materiale di questa squadra è carico di isole o domini collegati in rete che sono distinti come il petrolio nell’acqua. Questi domini hanno dimensioni nanometriche – miliardesimi di metro – e possono riorganizzarsi in risposta agli impulsi luminosi. Questo comportamento adattivo potrebbe essere utilizzato nel movimento efficiente dal punto di vista energetico delle informazioni nella microelettronica.
Il campione ferroelettrico del team è strutturato come un sandwich di strati alternati di piombo e titanato di stronzio. Preparato dai collaboratori della Rice University, questo sandwich a sette strati è 1.000 volte più sottile di un pezzo di carta. In precedenza, il team aveva puntato un singolo, intenso impulso di luce su un campione e aveva creato strutture ordinate uniformi su scala nanometrica.
“I supercomputer e i data center di oggi richiedono molti megawatt di energia. Una sfida è trovare materiali per una microelettronica più efficiente dal punto di vista energetico. Un candidato promettente è il materiale ferroelettrico che può essere utilizzato per reti neurali artificiali come componente nella microelettronica ad alta efficienza energetica”. — Haidan Wen, fisico dell'Argonne
«Questa volta, abbiamo colpito il campione con molti deboli impulsi luminosi, ognuno dei quali dura un quadrilionesimo di secondo», ha detto Wen. «Di conseguenza, è stata creata e ripresa una famiglia di strutture di dominio, anziché una singola struttura, a seconda del dosaggio ottico».
Per visualizzare le risposte su scala nanometrica, il team ha fatto appello alla nanosonda (linea di luce 26-ID) gestita dal Center for Nanoscale Materials e dall'Advanced Photon Source (APS). Entrambi sono strutture per gli utenti del DOE Office of Science ad Argonne. Con la Nanoprobe, un fascio di raggi X (2) di decine di nanometri di diametro ha scansionato il campione mentre veniva esposto a una raffica di impulsi luminosi ultraveloci.
Le immagini risultanti hanno rivelato nanodomini collegati in rete che venivano creati, cancellati e riconfigurati a causa degli impulsi luminosi. Le regioni e i confini di questi domini si sono evoluti e riorganizzati a una lunghezza di 10 nanometri – circa 10.000 volte più piccola di un capello umano – fino a 10 micrometri, all’incirca la dimensione di una gocciolina di nuvola. Il prodotto finale dipendeva dal numero di impulsi luminosi utilizzati per stimolare il campione.
«Accoppiando un laser ultraveloce alla linea di luce della Nanoprobe, possiamo avviare e controllare i cambiamenti nei nanodomini collegati in rete mediante impulsi luminosi senza richiedere molta energia», ha affermato il dottor Martin V. Holt (3), scienziato di microscopia a raggi X ed elettronica e leader del gruppo.
Il campione inizia con una disposizione dei nanodomini simile a una ragnatela e, a causa del disturbo creato dagli impulsi luminosi, la rete si rompe e forma configurazioni completamente nuove che funzionano al servizio di qualche fine desiderato in analogia a una rete adattiva.
«Abbiamo scoperto disposizioni completamente nuove di questi nanodomini», ha affermato il dottor Stephan O. Hruszkewycz (4), fisico di Argonne e leader del gruppo. «La porta è ora spalancata a molte altre scoperte. In futuro, saremo in grado di testare diversi regimi di stimolazione della luce e osservare nanodomini e reti ancora più sconosciuti». La capacità di visualizzare i cambiamenti su scala nanometrica nel tempo sarà notevolmente migliorata con il recente aggiornamento dell’APS, che promette fasci di raggi X fino a 500 volte più luminosi.
Con questa scoperta rivoluzionaria dei cambiamenti dipendenti dal tempo nei nanodomini collegati in rete, gli sviluppatori sono sulla buona strada per costruire reti adattive per l'archiviazione e l'elaborazione delle informazioni. Questo progresso promette di creare sistemi informatici più efficienti dal punto di vista energetico.
Questa ricerca si basa su un articolo pubblicato su Advanced Materials (5).
Oltre a Wen, Holt e Hruszkewycz, gli autori includono Marc Zajac, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew Cherukara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane Martin e Long-Qing Chen. Il finanziamento per la ricerca è arrivato dal DOE Office of Basic Energy Sciences.
Riferimenti:
(1) Haidan Wen
(2) Science 101: Light Sources
(3) Martin V. Holt
(5) Optical Control of Adaptive Nanoscale Domain Networks
Descrizione foto: Rendering artistico che rappresenta impulsi luminosi che producono trasformazioni adattive in strutture di nanodomini applicabili al calcolo neuromorfico. - Credit: Argonne National Laboratory/Haidan Wen and Ellen Weiss.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Material stimulated by light pulses could be leap toward more energy-efficient supercomputing