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La “caméra” ultra-rapide capture le comportement caché d’un matériau “neuromorphe” potentiel

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Yimei Zhu et Junjie Li à l’instrument de diffraction d’électrons ultra-rapide de 3 MeV à l’installation d’essai d’accélérateur du Laboratoire national de Brookhaven. Cet instrument agit comme une “caméra” stroboscopique à haute résolution pour suivre les trajectoires des atomes. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Imaginez un ordinateur capable de penser aussi vite que le cerveau humain tout en utilisant très peu d’énergie. C’est l’objectif des scientifiques qui cherchent à découvrir ou à développer des matériaux capables d’envoyer et de traiter des signaux aussi facilement que les neurones et les synapses du cerveau. L’identification de matériaux quantiques dotés d’une capacité intrinsèque à basculer entre deux formes distinctes (ou plus) pourrait détenir la clé de ces technologies informatiques «neuromorphes» au son futuriste.

Dans un article qui vient d’être publié dans la revue Examen physique X, Yimei Zhu, physicien au laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l’énergie (DOE), et ses collaborateurs décrivent de nouveaux détails surprenants sur dioxyde de vanadium, l’un des matériaux neuromorphiques les plus prometteurs. En utilisant les données recueillies par un “stroboscopique” unique came“, l’équipe a capturé la trajectoire cachée du mouvement atomique lorsque ce matériau passe d’un isolant à un métal en réponse à une impulsion de lumière. Leurs découvertes pourraient aider à guider la conception rationnelle de dispositifs neuromorphiques à haute vitesse et économes en énergie.

“Une façon de réduire la consommation d’énergie dans les neurones et les synapses pour l’informatique inspirée par le cerveau est d’exploiter les propriétés non linéaires prononcées des matériaux quantiques », a déclaré Zhu. « L’idée principale derrière cette efficacité énergétique est que dans les matériaux quantiques, un petit stimulus électrique peut produire une grande réponse qui peut être électriques, mécaniques, optiques ou magnétiques par un changement d’état de la matière.”

“Le dioxyde de vanadium est l’un des matériaux rares et étonnants qui est devenu un candidat prometteur pour les dispositifs bio-inspirés neuro-mimétiques”, a-t-il déclaré. Il présente une transition isolant-métal proche de la température ambiante dans laquelle une petite tension ou un courant peut produire un grand changement de résistivité avec une commutation qui peut imiter le comportement des neurones (cellules nerveuses) et synapses (les liens entre eux).

“Il passe d’un isolant complet – comme le caoutchouc – à un très bon conducteur métallique, avec un changement de résistivité de 10 000 fois ou plus”, a déclaré Zhu.

Ces deux états physiques très différents, intrinsèques au même matériau, pourraient être codés pour l’informatique cognitive.

Visualisation des mouvements atomiques ultrarapides

Pour leurs expériences, les scientifiques ont déclenché la transition avec des impulsions extrêmement courtes de photons, des particules de lumière. Ensuite, ils ont capturé la réponse à l’échelle atomique du matériau à l’aide d’un instrument de diffraction électronique ultrarapide méga-électron-volt (MeV-UED) développé à Brookhaven.

Vous pouvez considérer cet outil comme similaire à un appareil photo conventionnel avec l’obturateur laissé ouvert dans un environnement sombre, déclenchant des flashs intermittents pour attraper quelque chose comme une balle lancée en mouvement. A chaque flash, l’appareil photo enregistre une image ; la série d’images prises à différents moments révèle la trajectoire de la balle en vol.

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Cette représentation du réseau cristallin du dioxyde de vanadium dans ses états d’équilibre montre les positions des atomes de vanadium dans la phase isolante (sphères orange pleines) et la phase métallique (sphères rouges creuses). Encart : une impulsion de lumière (photon) déclenche la transition de phase en deux étapes de l’isolant au métal, où le mouvement des atomes de vanadium dans la première étape est linéaire, puis courbe dans la deuxième étape. Ce mouvement courbe est la preuve qu’une autre force (exercée par les électrons en orbite autour des atomes de vanadium) joue également un rôle dans la transition. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Le “stroboscope” MeV-UED capture la dynamique d’un objet en mouvement de la même manière, mais à une échelle de temps beaucoup plus rapide (inférieure à un billionième de seconde) et à une échelle de longueur beaucoup plus petite (inférieure à un milliardième de millimètre ). Il utilise des électrons de haute énergie pour révéler les trajectoires des atomes.

“Les mesures statiques précédentes n’ont révélé que l’état initial et final de la transition isolant-métal au dioxyde de vanadium, mais le processus de transition détaillé manquait”, a déclaré Junjie Li, le premier auteur de l’article. “Nos mesures ultrarapides nous ont permis de voir comment les atomes se déplacent – pour capturer les états transitoires (ou “cachés”) de courte durée – pour nous aider à comprendre la dynamique de la transition.”

Les images seules ne racontent pas toute l’histoire. Après avoir capturé plus de 100 000 “coups”, les scientifiques ont utilisé des techniques sophistiquées d’analyse cristallographique à résolution temporelle qu’ils avaient développées pour affiner les changements d’intensité de quelques dizaines de “pics de diffraction d’électrons”. Ce sont les signaux produits par les électrons qui se dispersent sur les atomes de l’échantillon de dioxyde de vanadium lorsque les atomes et leurs électrons orbitaux passent de l’état isolant à l’état métallique.

“Notre instrument utilise la technologie des accélérateurs pour générer des électrons avec une énergie de 3 MeV, ce qui est 50 fois plus élevé que les petits instruments de microscopie électronique et de diffraction ultrarapides en laboratoire”, a déclaré Zhu. “L’énergie plus élevée nous permet de suivre les électrons diffusés à des angles plus larges, ce qui se traduit par la possibilité de” voir “les mouvements des atomes à des distances plus petites avec une meilleure précision.”

Dynamique en deux étapes et chemin incurvé

L’analyse a révélé que la transition se déroule en deux étapes, la deuxième étant plus longue et plus lente que la première. Il a également montré que les trajectoires des mouvements des atomes dans la deuxième étape n’étaient pas linéaires.

“On pourrait penser que la trajectoire de la position A à B serait une ligne droite directe – la distance la plus courte possible. Au lieu de cela, c’était une courbe. C’était complètement inattendu”, a déclaré Zhu.

La courbe était une indication qu’il existe une autre force qui joue également un rôle dans la transition.

Repensez aux images stroboscopiques de la trajectoire d’une balle. Lorsque vous lancez une balle, vous exercez une force. Mais une autre force, la gravité, tire également la balle vers le sol, provoquant la trajectoire courber.

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Cette animation montre le changement de position des atomes de vanadium lorsque le dioxyde de vanadium passe d’un état isolant à un état métallique. Cette commutation rapide peut être déclenchée par de minuscules stimuli et modifie la résistance électrique du matériau de 10 000 fois ou plus, toutes des propriétés prometteuses pour des applications neuromorphiques économes en énergie. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven

Dans le cas du dioxyde de vanadium, l’impulsion lumineuse est la force qui déclenche la transition, et la courbure des trajectoires atomiques est causée par les électrons en orbite autour des atomes de vanadium.

L’étude a également montré qu’une mesure liée à l’intensité de la lumière utilisée pour déclencher la dynamique atomique peut modifier les trajectoires atomiques, de la même manière que la force que vous exercez sur une balle peut avoir un impact sur sa trajectoire. Lorsque la force est suffisamment grande, l’un ou l’autre système ( la balle ou les atomes) peut surmonter l’interaction concurrente pour obtenir une trajectoire presque linéaire.

Pour vérifier et confirmer leurs résultats expérimentaux et mieux comprendre la dynamique atomique, l’équipe a également effectué des calculs de dynamique moléculaire et de théorie fonctionnelle de la densité. Ces études de modélisation les ont aidés à déchiffrer les effets cumulatifs des forces pour suivre l’évolution des structures pendant la transition et ont fourni des instantanés résolus dans le temps des mouvements atomiques.

L’article décrit comment la combinaison de la théorie et des études expérimentales a fourni des informations détaillées, y compris comment les “dimères” de vanadium (paires liées d’atomes de vanadium) s’étirent et tournent dans le temps pendant la transition. La recherche a également abordé avec succès certaines questions scientifiques de longue date sur le dioxyde de vanadium, notamment l’existence d’une phase intermédiaire lors de la transition isolant-métal, le rôle du chauffage thermique induit par la photoexcitation et l’origine des transitions incomplètes sous photoexcitation.

Cette étude jette un nouvel éclairage sur la compréhension des scientifiques de la façon dont la dynamique électronique et de réseau photoinduite affecte cette transition de phase particulière – et devrait également aider à continuer à pousser l’évolution de la technologie informatique.

Lorsqu’il s’agit de fabriquer un ordinateur qui imite le cerveau humain, a déclaré Zhu, “nous avons encore un long chemin à parcourir, mais je pense que nous sommes sur la bonne voie”.


Identités de commutation : un matériau révolutionnaire semblable à un isolant conduit également l’électricité


Information:
Junjie Li et al, Détection directe des voies dynamiques de dimérisation et de rotation des atomes VV lors de la photoexcitation ultrarapide dans VO2, Examen physique X (2022). DOI : 10.1103/PhysRevX.12.021032

citations: Une “caméra” ultrarapide capture le comportement caché d’un matériau “neuromorphe” potentiel (2022, 9 mai) récupéré le 10 mai 2022 sur https://phys.org/news/2022-05-ultrafast-camera-captures-hidden-behavior.html

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