新顯微鏡可觀察微電子材料納秒動態

科技日報北京8月8日電（記者張夢然）美國能源部阿貢國家實驗室團隊開發了一種新的顯微鏡技術，利用電脈沖可觀察室溫下形成電荷密度波的材料中的納秒動態。發表在最新一期《物理評論快報》上的這項成果，可廣泛應用于節能微電子領域。

為應對超級計算機的能耗問題，科學家正在利用人工神經網絡開發更節能的下一代計算機。其要點是模擬人類大腦基本單位神經元的過程，這種模擬可通過材料中出現的電荷密度波來實現。

電荷密度波增加了材料中電子運動的阻力，控制波的能力可快速打開和關閉電阻，然后可利用此特性實現節能計算以及超精確傳感。然而，人們尚不清楚該切換過程是如何發生的，特別是考慮到波在200億分之一秒內就能從一種狀態變為另一種狀態。

為此，團隊測試了硫化鉭薄片，并用兩個電極連接以產生電脈沖。一般認為，在短脈沖期間，產生的高電場或電流可能會驅動電阻切換。但利用超快電子顯微鏡的兩次觀察，改變了這種認識。

首先，電荷密度波的熔化是受到注入電流產生的熱量而不是電荷電流本身的影響，即使在納秒脈沖期間也是如此。其次，電脈沖在材料中引起鼓狀振動，從而使波的排列發生擺動。

團隊確定了這兩種以前從未觀察到的電能操縱電荷密度波狀態的方式。熔化反應模擬了大腦中神經元的激活方式，而振動反應可在神經網絡中產生類似神經元的放電信號。

這項成果不僅展示了類腦計算中重要的“開關過程”，還意味著人們首次能夠利用超快電子顯微鏡，觀察微電子材料在納米級長度和納秒速度下如何運作。