Imagine um computador que pode pensar tão rápido quanto o cérebro humano usando muito pouca energia. Esse éo objetivo dos cientistas que buscam descobrir ou desenvolver materiais que possam enviar e processar sinais tão facilmente quanto os neura´nios e sinapses do cérebro. Identificar materiais qua¢nticos com uma capacidade intra­nseca de alternar entre duas formas distintas (ou mais) pode ser a chave para essas tecnologias de computação "neuroma³rficas" de som futurista.

Em um artigo recanãm-publicado na revista Physical Review X, Yimei Zhu, fa­sico do Laborata³rio Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), e seus colaboradores descrevem novos detalhes surpreendentes sobre o dia³xido de vana¡dio , um dos materiais neuroma³rficos mais promissores. Usando dados coletados por uma " ca¢mera estrobosca³pica" exclusiva , a equipe capturou a trajeta³ria oculta do movimento ata´mico a  medida que esse material transita de um isolante para um metal em resposta a um pulso de luz. Suas descobertas podem ajudar a orientar o design racional de dispositivos neuroma³rficos de alta velocidade e eficiência energanãtica.

“Uma maneira de reduzir o consumo de energia em neura´nios artificiais e sinapses para computação inspirada no cérebro éexplorar as propriedades não lineares pronunciadas de materiais qua¢nticos”, disse Zhu. “A principal ideia por trás dessa eficiência energanãtica éque, em materiais qua¢nticos, um pequeno esta­mulo elanãtrico pode produzir uma grande resposta que pode ser elanãtrica, meca¢nica, a³ptica ou magnanãtica por meio de uma mudança de estado do material”.

"O dia³xido de vana¡dio éum dos materiais raros e surpreendentes que surgiram como um candidato promissor para dispositivos bio-inspirados neuromimanãticos", disse ele. Ele exibe uma transição isolante-metal perto da temperatura ambiente, na qual uma pequena voltagem ou corrente pode produzir uma grande mudança na resistividade com comutação que pode imitar o comportamento de ambos os neura´nios (células nervosas) e sinapses (as conexões entre eles).

"Ele vai de completamente isolante - como borracha - a um condutor de metal muito bom, com uma mudança de resistividade de 10.000 vezes ou mais", disse Zhu.

Esses dois estados fa­sicos muito diferentes, intra­nsecos no mesmo material, poderiam ser codificados para computação cognitiva.

Para seus experimentos, os cientistas desencadearam a transição com pulsos extremamente curtos de fa³tons osparta­culas de luz. Em seguida, eles capturaram a resposta em escala atômica do material usando um instrumento de difração de elanãtrons ultrarra¡pidos de mega-elanãtron-volt (MeV-UED) desenvolvido em Brookhaven.

Vocaª pode pensar nessa ferramenta como semelhante a uma ca¢mera convencional com o obturador aberto em um ambiente escuro, disparando flashes intermitentes para capturar algo como uma bola lana§ada em movimento. A cada flash, a ca¢mera grava uma imagem; a sanãrie de imagens tiradas em diferentes momentos revela a trajeta³ria da bola em voo.

O "estrobosca³pio" MeV-UED captura a dina¢mica de um objeto em movimento de maneira semelhante, mas em uma escala de tempo muito mais rápida (menor que um trilionanãsimo de segundo) e em uma escala de comprimento muito menor (menor que um bilionanãsimo de mila­metro ). Ele usa elanãtrons de alta energia para revelar as trajeta³rias dos a¡tomos.

"Medidas esta¡ticas anteriores revelaram apenas o estado inicial e final da transição de isolador de dia³xido de vana¡dio para metal, mas o processo de transição detalhado estava faltando", disse Junjie Li, o primeiro autor do artigo. "Nossas medições ultrarrápidas nos permitiram ver como os a¡tomos se movem - para capturar os estados transita³rios de curta duração (ou 'ocultos') - para nos ajudar a entender a dina¢mica da transição."

As imagens por si são não contam toda a história. Depois de capturar mais de 100.000 "tiros", os cientistas usaram técnicas sofisticadas de análise cristalogra¡fica resolvidas no tempo que eles desenvolveram para refinar asmudanças de intensidade de algumas dezenas de "picos de difração de elanãtrons". Esses são os sinais produzidos pelos elanãtrons que se espalham pelos a¡tomos da amostra de dia³xido de vana¡dio a  medida que os a¡tomos e seus elanãtrons orbitais se movem do estado isolante para o estado meta¡lico.

"Nosso instrumento usa tecnologia de acelerador para gerar elanãtrons com uma energia de 3 MeV, que é50 vezes maior do que os instrumentos de microscopia eletra´nica ultrarrápida e de difração baseados em laboratório", disse Zhu. "A energia mais alta nos permite rastrear elanãtrons espalhados em a¢ngulos mais amplos, o que se traduz em ser capaz de 'ver' os movimentos dos a¡tomos em distâncias menores com melhor precisão."

A análise revelou que a transição ocorre em dois esta¡gios, sendo o segundo esta¡gio mais longo em duração e mais lento em velocidade do que o primeiro. Tambanãm mostrou que as trajeta³rias dos movimentos dos a¡tomos no segundo esta¡gio não eram lineares.

"Vocaª pensaria que a trajeta³ria da posição A a  B seria uma linha reta direta - a distância mais curta possí­vel. Em vez disso, era uma curva. Isso foi completamente inesperado", disse Zhu.

A curva foi uma indicação de que háoutra força que também desempenha um papel na transição.

Pense nas imagens estrobosca³picas da trajeta³ria de uma bola. Quando vocêjoga uma bola, vocêexerce uma força. Mas outra força, a gravidade, também puxa a bola para o cha£o, fazendo com que a trajeta³ria se curve.

No caso do dia³xido de vana¡dio, o pulso de luz éa força que faz a transição, e a curvatura nas trajeta³rias atômicas écausada pelos elanãtrons que orbitam em torno dos a¡tomos de vana¡dio.

O estudo também mostrou que uma medida relacionada a  intensidade da luz usada para desencadear a dina¢mica atômica pode alterar as trajeta³rias atômicas ossemelhante a  maneira como a força que vocêexerce em uma bola pode afetar seu caminho. Quando a força égrande o suficiente, qualquer sistema (a bola ou os a¡tomos) pode superar a interação concorrente para alcana§ar um caminho quase linear.

Para verificar e confirmar suas descobertas experimentais e entender melhor a dina¢mica atômica, a equipe também realizou ca¡lculos de dina¢mica molecular e teoria funcional da densidade. Esses estudos de modelagem os ajudaram a decifrar os efeitos cumulativos de forças para rastrear como as estruturas mudaram durante a transição e forneceram instanta¢neos resolvidos no tempo dos movimentos ata´micos.

O artigo descreve como a combinação de estudos teóricos e experimentais forneceu informações detalhadas, incluindo como os "da­meros" de vana¡dio (pares ligados de a¡tomos de vana¡dio) se esticam e giram ao longo do tempo durante a transição. A pesquisa também abordou com sucesso algumas questões cienta­ficas de longa data sobre o dia³xido de vana¡dio, incluindo a existaªncia de uma fase intermedia¡ria durante a transição isolante para metal, o papel do aquecimento tanãrmico induzido por fotoexcitação e a origem de transições incompletas sob fotoexcitação.

Este estudo lana§a uma nova luz sobre a compreensão dos cientistas de como a dina¢mica eletra´nica e de rede fotoinduzida afeta essa transição de fase especa­fica ose também deve ajudar a continuar a impulsionar a evolução da tecnologia de computação.

Quando se trata de fazer um computador que imite o cérebro humano, disse Zhu, "ainda temos um longo caminho a percorrer, mas acho que estamos no caminho certo".