(Notícias Nanowerk) Os supercomputadores de hoje consomem grandes quantidades de energia, equivalente ao uso de energia de milhares de lares. Em resposta, os pesquisadores estão desenvolvendo uma forma mais eficiente em termos de energia de supercomputação de última geração que alavanca redes neurais artificiais. Essas redes imitam os processos dos neurônios, a unidade básica do cérebro humano. Essa imitação pode ser alcançada por meio das ondas de densidade de carga que ocorrem em certos materiais. As ondas de densidade de carga são padrões semelhantes a ondas de elétrons — partículas carregadas negativamente — que se movem de forma correlacionada.
As ondas de densidade de carga aumentam a resistência ao movimento de elétrons no materials. A capacidade de controlar as ondas poderia fornecer uma rápida comutação da resistência ligada e desligada. Essa propriedade poderia então ser explorada para uma computação mais eficiente em termos de energia, bem como para uma detecção ultraprecisa. No entanto, não está claro como o processo de comutação ocorre, especialmente considerando que as ondas mudam de um estado para outro em 20 bilionésimos de segundo.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) encontraram uma nova maneira de estudar essas ondas. Para isso, eles se voltaram para o ultrarrápido microscópio eletrônico no Centro de Materiais em Nanoescala, uma instalação de usuário do Escritório de Ciências do DOE em Argonne. Eles desenvolveram uma nova técnica de microscopia que usa pulsos elétricos para observar o nanossegundo dinâmica dentro de um materials que é conhecido por formar ondas de densidade de carga à temperatura ambiente. Esse materials é um sulfeto de tântalo denominado 1T-TaS2.
As suas descobertas foram publicadas em Cartas de revisão física (“Dinâmica estrutural de nanossegundos durante a fusão elétrica de ondas de densidade de carga em 1T−TaS2“).
A equipe testou um floco desse sulfeto com dois eletrodos conectados para gerar pulsos elétricos. Durante pulsos curtos, pensou-se que o alto campo elétrico ou as correntes resultantes poderiam conduzir a comutação de resistência. Mas duas observações do microscópio eletrônico ultrarrápido mudaram esse entendimento.
Primeiro, as ondas de densidade de carga derreteram em resposta ao calor gerado pela corrente injetada, em vez da corrente de carga em si, mesmo durante pulsos de nanossegundos. Segundo, os pulsos elétricos induziram vibrações semelhantes a tambores através do materials, o que abalou o arranjo das ondas.

“Graças a essa nova técnica, determinamos essas duas maneiras não observadas anteriormente nas quais a eletricidade pode manipular o estado das ondas de densidade de carga”, disse Daniel Durham, pesquisador de pós-doutorado em Argonne. “E a resposta de fusão imita como os neurônios são ativados no cérebro, enquanto a resposta vibracional pode gerar sinais de disparo semelhantes aos neurônios em uma rede neural.”
Este estudo demonstra uma nova abordagem para examinar esses tipos de processos de comutação elétrica. Este método de microscopia eletrônica ultrarrápida permite que pesquisadores observem como materiais microeletrônicos funcionam em comprimentos de nanoescala e velocidades de nanossegundos.
A busca por dispositivos microeletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes torna um materials como o 1T-TaS2 atraente. E sua capacidade de ser formada como uma camada nanoescala também a torna atraente para tais dispositivos.
Essa nova técnica produziu resultados com amplas aplicações em microeletrônica de eficiência energética, de acordo com Charudatta Phatak, cientista de materiais e vice-diretor de divisão da Argonne.
“Entender os mecanismos fundamentais de como podemos controlar essas ondas de densidade de carga é importante porque isso pode ser aplicado a outros materiais para controlar suas propriedades”, disse Phatak.