Les chercheurs font progresser les supercalculateurs économes en énergie en exploitant les ondes de densité de charge dans les matériaux, une technique qui imite les neurones du cerveau. De nouvelles méthodes de microscopie au laboratoire national d'Argonne révèlent comment ces ondes peuvent être manipulées par l'électricité, offrant ainsi des perspectives sur des dispositifs microélectroniques plus rapides, plus petits et plus efficaces. Crédit : Issues.fr.com
Les ondes de densité de charge ont des applications dans l’informatique de nouvelle génération et économe en énergie.
Des scientifiques ont utilisé un microscope électronique ultrarapide pour capturer les changements de l'ordre de la nanoseconde dans un matériau lors d'une impulsion électrique. La compréhension de ces changements pourrait conduire à une électronique plus économe en énergie.
Les superordinateurs actuels consomment d'énormes quantités d'énergie, soit l'équivalent de la consommation électrique de milliers de foyers. Pour y remédier, les chercheurs développent une forme de supercalculateur de nouvelle génération plus économe en énergie, qui s'appuie sur des réseaux neuronaux artificiels. Ces réseaux imitent les processus des neurones, l'unité de base du cerveau humain. Cette imitation pourrait être obtenue grâce aux ondes de densité de charge qui se produisent dans certains matériaux. Les ondes de densité de charge sont des motifs ondulatoires d'électrons (particules chargées négativement) qui se déplacent de manière corrélée.
Décrypter la dynamique des ondes de densité de charge
Les ondes de densité de charge augmentent la résistance au mouvement des électrons dans le matériau. La capacité de contrôler les ondes pourrait permettre d'activer et de désactiver rapidement la résistance. Cette propriété pourrait ensuite être exploitée pour des calculs plus économes en énergie, ainsi que pour une détection ultra-précise. Cependant, on ne sait pas exactement comment se produit le processus de commutation, d'autant plus que les ondes passent d'un état à un autre en 20 milliardièmes de seconde.
« Cette nouvelle technique a produit des résultats ayant de vastes applications dans le domaine de la microélectronique à haut rendement énergétique. »
— Charudatta Phatak, scientifique des matériaux et directeur adjoint de la division
Progrès en microscopie au laboratoire national d'Argonne
Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du ministère américain de l'Énergie (DOE) ont trouvé une nouvelle façon d'étudier ces ondes. Pour ce faire, ils se sont tournés vers le microscope électronique ultrarapide du Center for Nanoscale Materials, une installation du DOE Office of Science à Argonne. Ils ont développé une nouvelle technique de microscopie qui utilise des impulsions électriques pour observer la dynamique nanoseconde au sein d'un matériau connu pour former des ondes de densité de charge à température ambiante. Ce matériau est un sulfure de tantale appelé 1T-TaS2.
L'équipe a testé un flocon de ce sulfure avec deux électrodes attachées pour générer des impulsions électriques. Pendant les impulsions courtes, on pensait que le champ électrique élevé ou les courants résultants pouvaient provoquer la commutation de résistance. Mais deux observations au microscope électronique ultrarapide ont changé cette compréhension.
Diagrammes de diffraction capturés avant et après une impulsion électrique de 20 nanosecondes. Le motif en forme d'étoile de petits points blancs, à gauche, correspond au motif d'onde de densité de charge initial, qui est temporairement fondu par la chaleur de l'impulsion électrique, à droite. Crédit : Argonne National Laboratory
Premièrement, les ondes de densité de charge ont fondu en réponse à la chaleur générée par le courant injecté plutôt qu'au courant de charge lui-même, même pendant des impulsions de l'ordre de la nanoseconde. Deuxièmement, les impulsions électriques ont induit des vibrations semblables à celles d'un tambour à travers le matériau, ce qui a fait vaciller la disposition des ondes.
« Grâce à cette nouvelle technique, nous avons identifié deux façons jusqu’alors inobservées par lesquelles l’électricité peut manipuler l’état des ondes de densité de charge », a déclaré Daniel Durham, chercheur postdoctoral à Argonne. « Et la réaction de fusion imite la façon dont les neurones sont activés dans le cerveau, tandis que la réponse vibratoire pourrait générer des signaux de déclenchement de type neuronal dans un réseau neuronal. »
Cette étude démontre une nouvelle approche pour examiner ces types de processus de commutation électrique. Cette méthode de microscopie électronique ultrarapide permet aux chercheurs d'observer le fonctionnement des matériaux microélectroniques à échelle nanométrique longueurs et vitesses en nanosecondes.
La tendance vers des dispositifs microélectroniques plus petits, plus rapides et plus efficaces fait qu'un matériau comme le 1T-TaS2 attrayant. Et sa capacité à être formé sous forme de couche nanométrique le rend également attrayant pour de tels dispositifs.
Selon Charudatta Phatak, scientifique des matériaux et directeur adjoint de division à Argonne, cette nouvelle technique a produit des résultats avec de vastes applications dans le domaine de la microélectronique à haut rendement énergétique.
« Il est important de comprendre les mécanismes fondamentaux par lesquels nous pouvons contrôler ces ondes de densité de charge, car cela peut être appliqué à d’autres matériaux pour contrôler leurs propriétés », a déclaré Phatak.
Cette recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique.
Outre Durham et Phatak, les auteurs incluent Thomas Gage, Connor Horn, Xuedan Ma, Haihua Liu, Ilke Arslan et Supratik Guha. Horn et Guha ont des nominations conjointes au Université de Chicago.
Ce travail a été soutenu par l'appel à la recherche en microélectronique du DOE Office of Science.
