20納秒電脈沖前后捕獲的衍射圖案。左側的星形小白點圖案對應于初始電荷密度波圖案，該圖案被右側電脈沖產生的熱量暫時熔化。圖片來源：美國阿貢國家實驗室
科技日報記者?張夢然
美國能源部阿貢國家實驗室團隊開發了一種新的顯微鏡技術，利用電脈沖可觀察室溫下形成電荷密度波的材料中的納秒動態。發表在最新一期《物理評論快報》上的這項成果，可廣泛應用于節能微電子領域。
為應對超級計算機的能耗問題，科學家正在利用人工神經網絡開發更節能的下一代計算機。其要點是模擬人類大腦基本單位神經元的過程，這種模擬可通過材料中出現的電荷密度波來實現。
電荷密度波增加了材料中電子運動的阻力，控制波的能力可快速打開和關閉電阻，然后可利用此特性實現節能計算以及超精確傳感。然而，人們尚不清楚該切換過程是如何發生的，特別是考慮到波在200億分之一秒內就能從一種狀態變為另一種狀態。
為此，團隊測試了硫化鉭薄片，并用兩個電極連接以產生電脈沖。一般認為，在短脈沖期間，產生的高電場或電流可能會驅動電阻切換。但利用超快電子顯微鏡的兩次觀察，改變了這種認識。
首先，電荷密度波的熔化是受到注入電流產生的熱量而不是電荷電流本身的影響，即使在納秒脈沖期間也是如此。其次，電脈沖在材料中引起鼓狀振動，從而使波的排列發生擺動。
團隊確定了這兩種以前從未觀察到的電能操縱電荷密度波狀態的方式。熔化反應模擬了大腦中神經元的激活方式，而振動反應可在神經網絡中產生類似神經元的放電信號。
這項成果不僅展示了類腦計算中重要的“開關過程”，還意味著人們首次能夠利用超快電子顯微鏡，觀察微電子材料在納米級長度和納秒速度下如何運作。
總編輯圈點
當今的超級計算機消耗大量能源，人工神經網絡計算是解決該問題最有潛力的手段之一。但這其中，電荷密度波的控制問題一直懸而未決。只有了解電能如何操縱它的狀態，才能更好的構建下一代計算機。現在研究人員不但揭示了這一神奇過程，還介紹了硫化鉭這樣的新穎材料。隨著人們對微型電子設備尺寸越來越小、速度越來越快和效率越來越高的追求，這種新材料也會變得極具吸引力。
