科学家为纳米电子设备的未来带来新的曙光

人工智能（AI）有潜力改变太阳能电池板、车载医疗传感器和自动驾驶汽车等多种技术。但在速度、内存大小和能源使用方面，这些应用程序已经将当今的计算机推向了极限

幸运的是，人工智能、计算和纳米科学领域的科学家正在努力克服这些挑战，他们正在用自己的大脑作为模型

这是因为人脑中的电路或神经元比今天的计算机电路有一个关键优势：它们可以在同一个地方存储信息和处理信息。这使得它们异常快速和节能。这就是为什么科学家们现在正在探索如何使用以十亿分之一米为单位的材料——“纳米材料”——来构建像我们的神经元一样工作的电路。然而，要想成功地做到这一点，科学家必须准确地了解这些纳米材料电路在原子水平上发生了什么

最近，包括美国能源部阿贡国家实验室科学家在内的一组研究人员开创了一种新的评估方法。具体而言，他们使用美国能源部科学办公室的用户设施高级光子源（APS）来检查特定纳米材料从导电到不导电时结构发生的变化。这模仿了神经回路中“开”和“关”状态之间的切换

这项工作发表在《先进材料》杂志上

在这些材料中，导电状态或相由原子水平上材料的缺陷（或“点缺陷”）控制。通过在纳米材料上施加应变，研究人员可以改变这些缺陷的浓度和位置。这改变了电子流的路径。然而，这些缺陷不断移动，从而改变了材料的导电和非导电区域。到目前为止，这项动议一直很难研究

阿贡大学的材料科学家Dillon Fong解释道：“人们对纳米材料中缺陷的发生和性质进行了大量研究。”。“但我们对材料相变时这些缺陷的动力学知之甚少。我们想证明，在与使用这些材料的条件类似的条件下，可以使用X射线检查纳米材料中导电相和非导电相之间的转变。”该团队展示了APS如何帮助实现这一点

在实验中，研究人员选择了一种材料SrCoOx，它可以很容易地在导电和非导电绝缘相之间切换。为了在纳米尺度上观察导电相和绝缘相之间的波动，他们使用了一种名为X射线光子相关光谱（XPCS）的技术。这是由来自APS的高度相干的X射线束实现的。XPCS可以直接测量材料在原子尺度上不同相之间波动的速度，即使这些波动几乎无法检测到

“如果没有来自APS的相干X射线束，XPCS测量是不可能的，”领导X射线测量的APS助理物理学家张庆腾说

“此外，重要的是，我们要在材料运行的相同条件下进行测量。这使我们能够了解材料在执行其预期功能时的行为。然而，这种环境控制通常需要将样品密封在腔室或圆顶中。这就是APS的高穿透性X射线束非常有帮助的地方。Beca当腔室窗口或圆顶外壳对可见光不透明时，我们可以使其中一个对X射线完全透明。“

目前正在进行的APS升级将在2024年完成后将APS X射线的亮度提高500倍。这将显著提高包括XPCS在内的相干X射线技术的测量速度和质量。这将为世界各地的研究人员创造前所未有的科学机会

这对美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究员Panchapakesan Ganesh来说是一个令人兴奋的前景。他与团队成员Vitalii Starchenko、ORNL和现任佐治亚理工大学助理教授的Guoxiang Hu一起领导了这项研究的理论工作。

“此类实验的高质量数据对我们开发理论和建立模型的能力至关重要，这些理论和模型可以捕捉纳米电子材料从导电阶段到非导电阶段的变化。”加内什说。“例如，如果我们要开发接近大脑能效的纳米设备，我们需要了解这些系统中的能量是如何耗散的。

”没有一种单一的计算方法能够单独解决这类问题。我们需要实验科学和计算科学方面的最佳投入来推进这种纳米级的理解。我们的综合方法就是一个完美的例子，我们认为它将推动这一令人兴奋的新领域的更多研究。“

除了方和张，阿贡的其他作者还包括E.M.Dufresne、H.Zhou、Y.Dong、A.R.Sandy、G.E.Sterbinsky、G.Wan、I.C.Almazan和H.Liu