微小的闪光，巨大的影响：下一代微电子技术

铁电材料通过在纳米尺度上重组原子连接来适应光刺激，其方式类似于神经网络的可塑性。

研究人员正在探索铁电材料在高能效微电子领域的潜力。这些材料可以根据光脉冲调整其结构，创造出各种可以彻底改变数据处理和存储的域结构，旨在显著降低超级计算机和数据中心的功耗。

发现自适应铁电材料

“今天的超级计算机和数据中心需要许多兆瓦级的电力，”美国能源部阿贡国家实验室的物理学家温海丹（音译）说。“其中一个挑战是找到更节能的微电子材料。一种很有前途的候选材料是铁电材料，它可以作为节能微电子技术的组成部分用于人工神经网络。”

铁电材料通常用于各种信息处理器件，如计算机存储器、晶体管、传感器和执行器。阿贡国家实验室的研究人员发现了一种铁电材料令人惊讶的适应性行为，这种材料可以根据接收到的光脉冲的光子数量逐步进化到特定的结果。这项研究是与莱斯大学、宾夕法尼亚州立大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家合作进行的。

这种材料的特点是网络化的岛屿或域，它们彼此不同，就像水中的油一样。这些以纳米（十亿分之一米）为单位的域可以根据光脉冲重新排列。这种自适应行为可以应用于微电子学中的节能数据处理。

该团队的铁电样品结构为铅和钛酸锶交替层的三明治。这个由莱斯大学合作者制作的七层三明治比一张纸薄1000倍。在此之前，该团队已经将一个单一的强光脉冲照射到样品上，并创建了均匀的纳米级有序结构。

“今天的超级计算机和数据中心需要许多兆瓦的电力。其中一个挑战是找到更节能的微电子材料。一个很有前途的候选者是铁电材料，它可以用于人工神经网络，作为节能微电子技术的一个组成部分。”
温海丹，阿贡国家实验室物理学家

创新的光诱导纳米域

“这一次，我们用许多微弱的光脉冲撞击样品，每个脉冲持续千万亿分之一秒，”温说。“因此，根据光学剂量的不同，形成了一系列的畴结构，而不是单一的结构，并进行了成像。”

为了可视化纳米级反应，研究小组使用了纳米材料和先进光子源中心（APS）操作的纳米探针（光束线26-ID）。这两个都是美国能源部科学办公室在阿贡的用户设施。使用纳米探针，当样品暴露在超快光脉冲弹幕下时，直径数十纳米的X射线束扫描样品。

由此产生的图像显示，由于光脉冲，网络纳米畴被创建、擦除和重新配置。这些区域的区域和边界在10纳米（大约是人类头发的1万倍）到10微米（大约是云滴的大小）的长度上进化和重新排列。最终的产品取决于用来刺激样品的光脉冲的数量。

未来对计算效率的影响

“通过将超快激光与纳米探针光束线耦合，我们可以通过光脉冲启动和控制网络纳米畴的变化，而不需要太多能量，”X射线和电子显微镜科学家兼小组组长马丁霍尔特说。

样品从蛛网状的纳米畴排列开始，由于光脉冲产生的干扰，网络破裂并形成全新的结构，以类似于自适应网络的方式为某些期望的目的服务。

“我们已经发现了这些纳米畴的全新排列方式，”阿贡国家实验室的物理学家、小组组长斯蒂芬·赫鲁什科维茨（stephen Hruszkewycz）说。“这扇门现在向更多的发现敞开着。在未来，我们将能够测试不同的光刺激机制，并观察更多未知的纳米结构域和网络。”随着最近APS的升级，将纳米尺度随时间变化的可视化能力将大大提高，有望使X射线光束的亮度提高500倍。

随着对网络纳米域中时间相关变化的突破性发现，开发人员正在构建用于信息存储和处理的自适应网络。这一进步有望创建更节能的计算系统。

这项研究基于《先进材料》上的一篇论文。

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