新显微镜可观察微电子材料中的纳秒动态

美国能源部阿贡国家实验室团队开发了一种新的显微镜技术，利用电脉冲可观察室温下形成电荷密度波的材料中的纳秒动态。发表在最新一期《物理评论快报》上的这项成果，可广泛应用于节能微电子领域。

为应对超级计算机的能耗问题，科学家正在利用人工神经网络开发更节能的下一代计算机。其要点是模拟人类大脑基本单位神经元的过程，这种模拟可通过材料中出现的电荷密度波来实现。

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20纳秒电脉冲前后捕获的衍射图案。左侧的星形小白点图案对应于初始电荷密度波图案，该图案被右侧电脉冲产生的热量暂时熔化。

电荷密度波增加了材料中电子运动的阻力，控制波的能力可快速打开和关闭电阻，然后可利用此特性实现节能计算以及超精确传感。然而，人们尚不清楚该切换过程是如何发生的，特别是考虑到波在200亿分之一秒内就能从一种状态变为另一种状态。

为此，团队测试了硫化钽薄片，并用两个电极连接以产生电脉冲。一般认为，在短脉冲期间，产生的高电场或电流可能会驱动电阻切换。但利用超快电子显微镜的两次观察，改变了这种认识。

首先，电荷密度波的熔化是受到注入电流产生的热量而不是电荷电流本身的影响，即使在纳秒脉冲期间也是如此。其次，电脉冲在材料中引起鼓状振动，从而使波的排列发生摆动。

团队确定了这两种以前从未观察到的电能操纵电荷密度波状态的方式。熔化反应模拟了大脑中神经元的激活方式，而振动反应可在神经网络中产生类似神经元的放电信号。

这项成果不仅展示了类脑计算中重要的“开关过程”，还意味着人们首次能够利用超快电子显微镜，观察微电子材料在纳米级长度和纳秒速度下如何运作。