کشف یاقوت کبود می تواند وسایل الکترونیکی الهام گرفته از مغز را در آینده تغییر دهد

نویسنده: جوزف ای. هارمون

اخبار – اشعه ایکس منبع فوتون پیشرفته Argonne رفتار غیرمنتظره لایه نازک رشد کرده روی بستر یاقوت کبود را نشان می دهد که خرد متعارف در میکروالکترونیک را به چالش می کشد.

دستگاه‌های میکروالکترونیک اغلب به لایه‌های بسیار نازک وابسته هستند – گاهی اوقات ضخامت کمتر از 10 نانومتر – که می‌توانند در پاسخ به یک ولتاژ کوچک، از مسدودکننده به برق رسانا تبدیل شوند. با این حال، برای کارکرد صحیح در یک دستگاه، این فیلم‌ها باید روی یک پایه نگهدارنده محکم رشد کنند.

یک مطالعه جدید توسط محققان آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) و موسسات همکار نشان می دهد که در این سیستم ها، لایه هسته فقط یک پایه غیرفعال نیست که دستگاه بر روی آن ساخته می شود. این تیم با کار با لایه‌های دی‌اکسید وانادیوم که روی یاقوت کبود رشد کرده بود، دریافتند که وقتی فیلم از حالت عایق الکتریکی به رسانایی تبدیل می‌شود، یاقوت کبود زیرین را تحت فشار قرار می‌دهد. سویه یاقوت کبود نیز به نوبه خود به فیلم بازخورد می کند و رفتار آن را تغییر می دهد.

این کشف یک فرض رایج در میکروالکترونیک را به چالش می کشد: سطحی که لایه روی آن رشد می کند، به نام بستر، به سادگی یک پلت فرم پایدار برای ساخت لایه نازک بدون مشارکت در عملکرد دستگاه فراهم می کند.

ظاهر اسلام، فیزیکدان Argonne و یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: «این یک مشاهده بالقوه تغییر پارادایم است. “شما نمی توانید فرض کنید که بستر هیچ ارتباطی با خواص یا رفتار دستگاه ندارد. هنگامی که دستگاه کار می کند، می تواند روی بستر تاثیر بگذارد، و این تاثیر می تواند به طور شگفت انگیزی بسیار عمیق تر از آنچه انتظار می رود به زیرلایه گسترش یابد.”

این تیم، دی اکسید وانادیم را بررسی کردند، ماده امیدوارکننده ای برای محاسبات الهام گرفته از مغز (یک “ممریستور”) که برای دهه ها مورد مطالعه قرار گرفته است. به نوعی مانند یک نورون در مغز رفتار می کند. یک نورون ممکن است در اولین باری که می رسد و شاید بار دوم سیگنال ضعیفی را نادیده بگیرد، اما آن ورودی های قبلی را “به یاد می آورد”. با ادامه رسیدن سیگنال‌ها، حتی اگر ضعیف‌تر باشند، نورون در نهایت پاسخ می‌دهد. به طور مشابه، ممریستور تکانه های الکتریکی قبلی را به خاطر می آورد. با ترکیب حافظه و عمل در یک دستگاه، ممریستورها می توانند ویژگی های خاصی از پردازش عصبی را تقلید کنند در حالی که از انرژی بسیار کمی استفاده می کنند.

“شما نمی توانید فرض کنید که بستر هیچ ارتباطی با خواص یا رفتار دستگاه ندارد. هنگامی که دستگاه کار می کند، می تواند روی بستر تاثیر بگذارد، و این تاثیر می تواند به طور شگفت انگیزی بسیار عمیق تر از آنچه انتظار می رود به زیرلایه گسترش یابد.” – ظاهر اسلام، فیزیکدان آرگون

در دستگاهی که در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفت، اعمال ولتاژ باعث ایجاد یک انتقال موضعی از عایق به هادی می‌شود و یک رشته رسانای باریک در یک فیلم عایق ایجاد می‌کند. از آنجایی که دستگاه حافظه فعال‌سازی قبلی را حفظ می‌کند، سوئیچینگ بعدی می‌تواند در ولتاژهای پایین‌تر اتفاق بیفتد – ویژگی که این ممریستور را برای محاسبات الهام‌گرفته از مغز (“نورومورفیک”) جذاب می‌کند.

برای مطالعه آنچه در طول این انتقال اتفاق می افتد، محققان به منبع فوتون پیشرفته (APS)، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در Argonne مراجعه کردند. در خطوط پرتو 6-ID-C و 33-ID-D، آنها از میکروسکوپ اشعه ایکس میدان تاریک، یک تکنیک تصویربرداری پیشرفته، برای تجسم تغییرات ساختاری در سراسر دستگاه، از جمله اعماق زیر سطح، استفاده کردند.

Eliot Kisiel، عضو ماریا گوپرت مایر در Argonne و نویسنده اصلی می‌گوید: «وقتی برای اولین بار واکنش غیرمنتظره را در بستر یاقوت کبود دیدیم، فکر کردیم که ممکن است یک مصنوع باشد. از آنجایی که نتیجه بسیار شگفت‌انگیز بود، ما آن را بارها و بارها بر روی چندین دستگاه، نمونه‌ها، ضخامت فیلم و حتی بسترهای مختلف آزمایش کردیم.

در خطوط پرتوهای APS، تیم مشاهده کردند که عرض رشته با افزایش ولتاژ گشاد شده و تنش ناهمواری در یاقوت کبود زیر آن ایجاد می‌کند. این اعوجاج ده‌ها میکرومتر به داخل یاقوت کبود گسترش یافت – هزاران بار عمیق‌تر از ضخامت خود فیلم – و بسیار بیشتر از آن چیزی بود که از گرم کردن ساده به تنهایی انتظار می‌رفت.

کیزیل گفت: «این عمق یک شگفتی واقعی بود. “یک رویداد بسیار موضعی در یک فیلم در مقیاس نانو می تواند منجر به تغییرات ساختاری در عمق یک بستر جامد شود. این نشان می دهد که جفت مکانیکی بین دستگاه و بستر می تواند دوربرد باشد.”

این کار همچنین قابلیت های APS اخیراً اصلاح شده را برجسته می کند. اگرچه برخی از اولین مشاهدات قبل از بسته شدن تاسیسات برای ارتقاء انجام شد، روشنایی پرتو بهبود یافته و شدت بالاتری که به نمونه تحویل داده شد به تیم اجازه داد تا دستگاه‌های بیشتری را با کارایی و حساسیت بیشتر مطالعه کنند.

اسلام گفت: “درخشش APS واقعاً درخشید تا این کار را به خط پایان برساند.” ما توانستیم دستگاه‌های بیشتری را در زمان پرتو بسیار کوتاه‌تری مطالعه کنیم و اطلاعات ساختاری غنی را با دقت بالا ضبط کنیم.»

میکروسکوپ اشعه ایکس در میدان تاریک مرکز این تلاش بود. برخلاف تکنیک‌هایی که فقط سطح را کاوش می‌کنند یا به آماده‌سازی نمونه مخرب نیاز دارند، می‌تواند به طور همزمان رابط‌های لایه لایه و بستر زیرین را کاوش کند.

این یافته ها ممکن است پیامدهایی فراتر از دی اکسید وانادیم لایه نازک داشته باشد. همانطور که دستگاه‌های الکترونیکی به کوچک شدن و فشرده‌تر شدن ادامه می‌دهند، فعل و انفعالات واسطه‌ای بستر ممکن است به چالشی برای غلبه بر یا ویژگی جدیدی برای بهره‌برداری تبدیل شوند. به عنوان مثال، فعالیت در یک دستگاه می تواند به طور مکانیکی بر دستگاه های مجاور از طریق یک بستر مشترک تأثیر بگذارد. سپس این اثر می تواند برای تقویت یا مهار چنین اثر اتصالی مهندسی شود.

این امکان ممکن است به ویژه برای محاسبات نورومورفیک مرتبط باشد. دستگاه‌های لایه نازک امروزی فقط ضخامت اتم‌ها دارند، اما مغز به‌عنوان یک شبکه سه‌بعدی به هم متصل کار می‌کند. درک و کنترل برهمکنش‌های لایه لایه ممکن است در نهایت راه‌های جدیدی برای ایجاد معماری‌های کامپیوتری پیچیده‌تر ارائه دهد.

این تحقیق توسط دفتر علوم پایه انرژی DOE از طریق مواد کوانتومی برای مرکز محاسبات نورومورفیک کارآمد انرژی، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی DOE پشتیبانی شد. پشتیبانی اضافی شامل جایزه تحقیق و توسعه آزمایشگاهی است. این کار همچنین تا حدی با حمایت مرکز نانو میکرو کارلسروهه، یک زیرساخت تحقیقاتی دسترسی آزاد در مرکز فناوری عالی کارلسروهه در موسسه فناوری کارلسروهه (دانشگاه انجمن هلمهولتز) انجام شد. تاسیسات نانو میکرو در کارلسروهه به راه اندازی آزمایشی در خط پرتو APS کمک کرد.

علاوه بر آرگون و مؤسسه فناوری کارلسروهه، شرکای تحقیقاتی شامل دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو هستند. آزمایشگاه ملی بروکهاون DOE. دانشگاه دنور؛ دانشگاه ایلینوی شمالی؛ دانشگاه استنفورد و آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC DOE.

علاوه بر Kisiel و اسلام، نویسندگان Argonne عبارتند از: Andreas Glatz، محقق سابق فوق دکتری Ishvor Pudyal، Umeshkumar Patel و Jan Jan. Glatz همچنین استاد دانشگاه ایلینوی شمالی است.

جوزف ای. هارمون نویسنده و ویراستار علمی است. او بیش از چهار دهه به عنوان نویسنده، ویراستار و مدیر ارتباطات در Argonne خدمت کرد و در چندین زمینه تحقیقاتی کار کرد. او که اکنون نویسنده ای آزاد برای Argonne است، بر ارتباطات در علوم فیزیکی تمرکز دارد. او به عنوان یک محقق مستقل، شش کتاب در زمینه ارتباطات علمی با مرحوم آلن جی. گراس تالیف کرد.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالت های شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده‌ای از سیستم‌های مهندسی مهم از نظر فناوری، از باتری‌ها تا اسپری‌های انژکتوری سوخت، که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر ساله، بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 نشریه در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئینی بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور اشعه ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان را تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و نرم‌افزاری که حجم وسیعی از داده‌های حاصل از مطالعه اکتشافات در APS را جمع‌آوری و مدیریت می‌کند.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.

آزمایشگاه ملی آرگون با انجام تحقیقات بنیادی و کاربردی پیشرو در تقریباً هر رشته علمی به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. Argonne توسط UChicago Argonne، LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما تلاش می کند. برای اطلاعات بیشتر، به https://energy.gov/​science مراجعه کنید.