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Los investigadores están considerando el cerebro humano como un modelo para superar los obstáculos computacionales en los nanodispositivos y la inteligencia artificial (IA). Sin embargo, lograr este objetivo requiere materiales capaces de replicar nuestros circuitos neuronales a la escala más pequeña posible.
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La IA está preparada para revolucionar diversas tecnologías, desde paneles solares hasta vehículos autónomos y sensores médicos en el cuerpo. Sin embargo, estas tecnologías ya están alcanzando los límites de los ordenadores actuales en términos de tamaño de memoria, velocidad y consumo de energía.
Afortunadamente, los científicos en inteligencia artificial, informática y nanociencia están abordando activamente estos desafíos. Utilizan el cerebro humano como modelo para resolver estos desafíos.
La razón es que los circuitos o neuronas del cerebro humano tienen una ventaja decisiva sobre los circuitos informáticos actuales: la información se puede almacenar y procesar en el mismo lugar. Esta capacidad inherente los hace increíblemente rápidos y energéticamente eficientes.
Por eso, los investigadores están explorando actualmente el uso de nanomateriales, medidos en milmillonésimas de metro, para construir circuitos que funcionen de manera similar a nuestras neuronas. Sin embargo, para lograr este objetivo, los investigadores deben obtener una comprensión precisa de los procesos a nivel atómico que ocurren en estos ciclos de nanomateriales.
Recientemente, un equipo de investigación que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) presentó un método innovador para evaluar con precisión estos procesos. Utilizaron Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para estudiar los cambios estructurales en un nanomaterial en particular a medida que evoluciona desde conducir una corriente eléctrica hasta volverse no conductor, cambiando así el estado de «encendido» y «apagado». .» “Los estados son imitados por un circuito neuronal.
En estos materiales, la fase conductora está regulada por imperfecciones conocidas a nivel atómico como “defectos puntuales”. Los investigadores pueden manipular la concentración y ubicación de estos defectos aplicando voltaje al nanomaterial, alterando la trayectoria del flujo de electrones. Sin embargo, estos defectos están en constante movimiento, lo que provoca cambios en las áreas conductoras y no conductoras del material. Hasta hace poco, investigar esta aplicación resultó extremadamente desafiante.
Se han realizado muchas investigaciones sobre la aparición y la naturaleza de los defectos en los nanomateriales. Sin embargo, sabíamos muy poco sobre la dinámica de estos defectos cuando un material cambia de fase. Queríamos demostrar que los rayos X se pueden utilizar para estudiar las transiciones entre fases conductoras y no conductoras en nanomateriales en condiciones similares a las que se producirán al utilizar estos materiales.
Dillon Fong, científico de materiales, Laboratorio Nacional Argonne
Los investigadores demostraron cómo puede ayudar la APS.
En su experimento, los científicos eligieron SrCoOx, un material conocido por su capacidad de pasar fácilmente entre fases no conductoras y conductoras (aislantes).
Para observar estas fluctuaciones a nanoescala, utilizaron espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS). Esta tecnología fue posible gracias a los rayos X altamente coherentes producidos por el APS. XPCS permite medir directamente la velocidad a la que el material oscila entre diferentes fases a nivel atómico, incluso si estas oscilaciones son apenas detectables.
Sin el haz de rayos X coherente del APS, la medición XPCS no sería posible.
Qingteng Zhang, físico asistente, Fuente Avanzada de Fotones, Laboratorio Nacional Argonne
Zhang añadió: “También es importante que realicemos la medición en las mismas condiciones en las que funcionará el material. Esto nos permite aprender cómo se comporta el material mientras realiza su función prevista. Sin embargo, dicho control ambiental normalmente requiere confinar la muestra en una cámara o cúpula. Aquí es donde resulta de gran ayuda el penetrante rayo X del APS. Porque si bien la ventana de la cámara o la cúpula son opacas a la luz visible, podemos hacer que ambas sean completamente transparentes a los rayos X”.
La actualización actual del APS aumentará el brillo de sus rayos X hasta 500 veces hasta su finalización en 2024. Esta mejora no sólo acelerará la velocidad de medición, sino que también mejorará la calidad de los métodos de rayos X coherentes como XPCS. Esto podría abrir oportunidades científicas sin precedentes para los científicos de todo el mundo.
Esto es realmente emocionante para Panchapakesan Ganesh, científico del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE, quien dirigió los esfuerzos teóricos del estudio junto con sus colegas Vitalii Starchenko, ORNL y Guoxiang Hu, actualmente profesor asistente en Georgia Tech.
Los datos de alta calidad de experimentos como estos son fundamentales para nuestra capacidad de desarrollar teorías y construir modelos que puedan capturar lo que sucede en los materiales nanoelectrónicos a medida que pasan de la fase conductora a la no conductora.
Panchapakesan Ganesh, investigador principal e investigador, Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía
Ganesha añadió: «Por ejemplo, si queremos desarrollar nanodispositivos que se acerquen a la eficiencia energética de nuestro cerebro, necesitamos aprender cómo se pierde energía en estos sistemas». Ningún enfoque computacional puede resolver este tipo de problema por sí solo. Necesitamos las mejores contribuciones de la ciencia experimental y computacional para avanzar en esta comprensión a nanoescala. Nuestro enfoque integrado es un ejemplo perfecto de esto y creemos que estimulará más investigación en esta nueva y apasionante área”.
El estudio fue apoyado financieramente por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE. Fong y sus colegas científicos ilustran los detalles experimentales y sus resultados en la revista. Materiales avanzados. Además de Fong y Zhang, otros autores argonianos incluyen a EM Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, AR Sandy, GE Sterbinsky, G. Wan, IC Almazan y H. Liu.
Referencia de la revista:
Zhang, Q., et al. (2024) Fluctuaciones de defectos intermitentes en heteroestructuras de óxido. Materiales avanzados. doi:10.1002/adma.202305383.
Fuente: https://www.anl.gov
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