Forschung Neues Licht auf die Zukunft nanoelektronischer Geräte

Anbieter zum Thema

Ersa GmbH

MicroConsult Microelectronics Consulting & Training GmbH

ET System electronic GmbH

Forscher entwickeln eine neue Methode zur Untersuchung gehirnähnlicher Schaltkreise in Nanomaterialien mithilfe der Advanced Photon Source von Argonne National Laboratory.

Wissenschaftler wenden sich zunehmend dem menschlichen Gehirn als Modell zu, wenn es um die Lösung von Rechenaufgaben im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz und Nanobauteilen geht. Dazu werden jedoch Materialien benötigt, die unsere neuronalen Schaltkreise im kleinsten Maßstab nachahmen können.

Künstliche Intelligenz (KI) hat das Potenzial, so unterschiedliche Technologien wie Solarzellen, körpereigene medizinische Sensoren und selbstfahrende Fahrzeuge zu verändern. Doch diese Anwendungen bringen die heutigen Computer in Bezug auf Geschwindigkeit, Speichergröße und Energieverbrauch bereits an ihre Grenzen.

Das Gehirn: Modell der Zukunft

Glücklicherweise arbeiten Wissenschaftler aus den Bereichen KI, Informatik und Nanowissenschaften daran, diese Herausforderungen zu meistern. Und sie benutzen Gehirne als Modelle. Denn die Schaltkreise oder Neuronen im menschlichen Gehirn haben einen entscheidenden Vorteil gegenüber den heutigen Computerschaltkreisen: Sie können Informationen speichern und am selben Ort verarbeiten. Das macht sie außergewöhnlich schnell und energieeffizient.

Deshalb erforschen Wissenschaftler jetzt, wie man Materialien, die in Milliardstel Metern gemessen werden - „Nanomaterialien" - verwenden kann, um Schaltkreise zu konstruieren, die wie unsere Neuronen funktionieren. Um dies erfolgreich zu tun, müssen die Wissenschaftler jedoch genau verstehen, was in diesen Nanomaterial-Schaltkreisen auf atomarer Ebene vor sich geht.

Ein und Aus in einem neuronalen Schaltkreis

Kürzlich hat ein Forscherteam, dem auch Wissenschaftler des Argonne National Laboratory angehören, Pionierarbeit geleistet und eine neuartige Methode zur Bewertung genau dieser Frage entwickelt. Konkret nutzten sie die Advanced Photon Source (APS), eine Einrichtung des Office of Science, um die Veränderungen in der Struktur eines bestimmten Nanomaterials zu untersuchen, wenn es den elektrischen Strom nicht mehr leitet. Dies imitiert das Umschalten zwischen „Ein“- und „Aus“-Zuständen in einem neuronalen Schaltkreis.

Bei diesen Materialien wird der leitende Zustand oder die Phase durch Unzulänglichkeiten im Material (oder „Punktdefekte“) auf atomarer Ebene gesteuert. Indem sie das Nanomaterial belasten, können die Forscher die Konzentration und die Position dieser Defekte verändern.

Dadurch ändert sich der Weg des Elektronenflusses. Diese Defekte sind jedoch ständig in Bewegung, wodurch sich die leitenden und nicht leitenden Bereiche des Materials verändern. Bislang war diese Bewegung nur sehr schwer zu untersuchen.

„Es wurde viel über das Auftreten und die Art von Defekten in Nanomaterialien geforscht“, erklärte Dillon Fong, ein Argonne-Materialwissenschaftler. „Aber wir wussten sehr wenig über die Dynamik dieser Defekte, wenn ein Material die Phase wechselt.“

„Wir wollten zeigen, dass man mit Röntgenstrahlen Übergänge zwischen leitenden und nicht leitenden Phasen in Nanomaterialien unter Bedingungen untersuchen kann, die denen ähneln, unter denen diese Materialien verwendet werden.“ Das Team demonstrierte, wie das APS dazu beitragen kann, dies zu ermöglichen.

SrCoOx im Fokus

Für das Experiment wählten die Forscher ein Material, SrCoOx, das leicht zwischen der leitenden und der nicht leitenden, isolierenden Phase wechselt. Um die Fluktuation zwischen der leitenden und der isolierenden Phase auf der Nanoskala zu sehen, verwendeten sie eine Technik namens Röntgenphotonenkorrelationsspektroskopie (XPCS).

Ermöglicht wird dies durch die hochkohärenten Röntgenstrahlen des APS. XPCS kann direkt messen, wie schnell das Material zwischen verschiedenen Phasen auf atomarer Ebene schwankt, selbst wenn diese Schwankungen kaum nachweisbar sind.

„Die XPCS-Messung wäre ohne den kohärenten Röntgenstrahl des APS nicht möglich“, sagte Qingteng Zhang, Assistenzphysiker am APS, der die Röntgenmessungen leitete. „Außerdem ist es wichtig, dass wir die Messung unter den gleichen Bedingungen durchführen, unter denen das Material auch arbeiten wird.“

„Auf diese Weise können wir lernen, wie sich das Material verhält, wenn es seine vorgesehene Funktion erfüllt. Eine solche Umgebungskontrolle erfordert jedoch in der Regel das Einschließen der Probe in eine Kammer oder eine Kuppel. Hier ist der stark durchdringende Röntgenstrahl des APS äußerst hilfreich. Denn während das Kammerfenster oder die Kuppelhülle für sichtbares Licht undurchlässig ist, können wir beide für die Röntgenstrahlen völlig transparent machen.“

Die derzeit laufende Aufrüstung des APS wird nach ihrer Fertigstellung in diesem Jahr die Helligkeit der APS-Röntgenstrahlung um das bis zu 500-fache erhöhen. Dadurch werden die Messgeschwindigkeit und die Qualität der kohärenten Röntgentechniken, einschließlich XPCS, erheblich verbessert. Dies könnte auch Forschern auf der ganzen Welt noch nie da gewesene wissenschaftliche Möglichkeiten eröffnen.

Flüchtiger Energie auf der Spur

Für Panchapakesan Ganesh, Forscher am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ist das eine aufregende Aussicht. Er leitete die theoretische Arbeit in der Studie zusammen mit seinen Teammitgliedern Vitalii Starchenko, ORNL, und Guoxiang Hu, jetzt Assistenzprofessor an der Georgia Tech.

„Hochwertige Daten aus Experimenten wie diesen sind entscheidend für unsere Fähigkeit, Theorien zu entwickeln und Modelle zu erstellen, die erfassen können, was in nanoelektronischen Materialien passiert, wenn sie von leitenden in nicht leitende Phasen übergehen“, sagte Ganesh.

„Wir müssen zum Beispiel lernen, wie sich die Energie in diesen Systemen verflüchtigt, wenn wir Nanogeräte entwickeln wollen, die der Energieeffizienz unseres Gehirns nahe kommen. Kein einzelner rechnerischer Ansatz kann diese Art von Problem allein lösen.“

„Wir brauchen die besten Beiträge sowohl aus der experimentellen als auch aus der rechnergestützten Wissenschaft, um das Verständnis im Nanobereich voranzutreiben. Unser integrierter Ansatz ist ein perfektes Beispiel dafür, und wir glauben, dass er die Forschung in diesem aufregenden neuen Bereich weiter vorantreiben wird.“

Die Forschungsarbeit wurde vom Office of Basic Energy Sciences finanziert. Fong und seine Forscherkollegen beschreiben die experimentellen Details und ihre Ergebnisse in 'Advanced Materials'. (mbf)

* Henning Wriedt ist freier Fachautor.

Akkutechnologien

Heute die Materialien von morgen modellieren

Energieeffiziente KI-Gesundheitsüberwachung

Flexibler Sensor auf Papierbasis funktioniert wie ein menschliches Gehirn

(ID:50018640)