;
Наука 11 января 2022

Оксид ванадия может ускорить разработку нейроморфных устройств

Далее

Американские ученые смогли раскрыть новые свойства оксида ванадия — вещества, которое может стать недостающим ингредиентом для быстрейшего развития нейроморфных процессоров.

Нейроморфные устройства, которые имитируют процессы принятия решений человеческим мозгом, могут быть крайне перспективны для решения насущных научных проблем. При этом, перед исследователями долгое время стояло препятствие в виде полноценного создания этих устройств. Международная команда ученых получила дополнительную информацию о вещественном соединении — оксиде ванадия, (VO2) , которое может стать недостающим ингредиентом, необходимым для завершения создания надежного нейроморфного устройства. Для этого VO2, принадлежащий к классу коррелированных твердых оксидов, должен подвергнуться обратимому превращению из изолирующей формы в металлическую.

Ученые из национальных лабораторий Министерства энергетики в Ок-Ридже и Аргонне, Университета Тампере и Гамбургского университета провели исследование, благодаря которому получили новое представление о взаимодействии VO2 с различными типами точечных дефектов. Существует по крайней мере две разновидности точечных дефектов: вакансия (дефект кристалла, представляющий собой узел, в котором отсутствует атом), и замещение (дефект, при котором один атом удаляется из структуры и заменяется другим атомом). Регулируя вакансии и замещения в материале с помощью легирования, исследователи могут решать ранее невозможные задачи — от улучшения возможностей хранения энергии до оптимизации исследований нейроморфных вычислений.

Раскрыв беспрецедентный взгляд на фундаментальную структуру и поведение VO2 , ученые смогли ответить на давний вопрос физики: что является ответственным за явление перехода металл-диэлектрик (изменение транспортных свойств проводящего материала в зависимости от уровня беспорядка и взаимодействия) — электронные корреляции или внутренняя структурная нестабильность?

Оксид ванадия существует в виде металла при высоких температурах и в виде изолятора при низких, изменяясь между этими двумя состояниями через переход металл-диэлектрик в соответствии с окружающей средой. Металл классифицируется как «плохой металл» и характеризуется необычно высоким удельным сопротивлением из-за сильных электрон-электронных корреляций, тогда как изолятор имеет искаженную кристаллическую структуру.

Ученые обнаружили, что введение кислородных вакансий в металл останавливает естественный процесс перехода металл-диэлектрик и позволяет VO2 оставаться в металлическом состоянии даже при низких температурах. Наблюдение за тем, как вакансии подавляют изолирующее состояние, помогло исследователям определить, что именно электронные корреляции, а не структурные нестабильности необходимы для запуска структурных искажений, которые в конечном итоге приводят к переходу металл-диэлектрик.

Поскольку металлический материал будет проводить электроны, а изолятор — нет, переход металл-диэлектрик действует как переключатель. Точная настройка его управления в коррелированных твердых телах путем введения вакансий в любое время означает, что исследователи могут сделать VO2 главным кандидатом для создания новых нейроморфных систем.

«Мы определили единую фундаментальную ручку, которая позволяет нам контролировать сложные связанные фазовые переходы в коррелированных твердых телах. Эта способность может иметь значение для разработки технологически подходящих материальных систем для нейроморфных устройств следующего поколения», — рассказал ведущий автор Управления науки Министерства энергетики США Панчапакесан Ганеш.

Команда также изучила различия между свойствами VO2 в основном состоянии (уровень энергии, который соединение проявляет в нейтральной среде), и в возбужденном (характеризуется повышенным уровнем энергии, который проявляет соединение, когда его электроны возбуждаются в результате взаимодействия с различными внешними частицами, например, фотонами).

Это исследование знаменует собой один из первых случаев, когда какая-либо группа ученых успешно охарактеризовала свойства как основного, так и возбужденного состояния в пределах одного твердого оксида, что стало возможным благодаря методам измерения, требующим больших вычислительных ресурсов исследователей.

Используя ресурсы Национального научно-вычислительного центра исследований в области энергетики, пользовательского центра Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, исследователи определили положения атомов в VO2 с помощью метода теории функционала плотности.

Основываясь на этих результатах, они использовали выведенный из эксплуатации суперкомпьютер Titan для выполнения диффузионного метода Монте-Карло. Этот точный многочастичный метод, предназначенный для анализа твердых материалов, выявил свойства соединения в основном состоянии, в том числе количество энергии, необходимое для поддержки добавления вакансии и распределения электрического заряда.

Теперь ученые изучают спин-орбитальное взаимодействие (неосязаемое взаимодействие), которое происходит между частицами в квантовых материалах. Они ожидают, что методы, используемые для контроля физических дефектов, также могут быть экстраполированы для использования силы этого взаимодействия, что может помочь оптимизировать материалы, используемые при разработке квантовых компьютеров.


Читать далее:

Археологи обнаружили давно затерянный храм Геракла 9 века до нашей эры

Появились безвоздушные шины: они выглядят как клеточные структуры животных

Туркменистан хочет закрыть газовый кратер «Врата в ад», горящий с 1971 года

Загрузка...