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

Em um artigo recém-publicado na revista Physical Review X, Yimei Zhu, físico do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), e seus colaboradores descrevem novos detalhes surpreendentes sobre o dióxido de vanádio , um dos materiais neuromórficos mais promissores. Usando dados coletados por uma " câmera estroboscópica" exclusiva , a equipe capturou a trajetória oculta do movimento atômico à 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 neuromórficos de alta velocidade e eficiência energética.

“Uma maneira de reduzir o consumo de energia em neurônios artificiais e sinapses para computação inspirada no cérebro é explorar as propriedades não lineares pronunciadas de materiais quânticos”, disse Zhu. “A principal ideia por trás dessa eficiência energética é que, em materiais quânticos, um pequeno estímulo elétrico pode produzir uma grande resposta que pode ser elétrica, mecânica, óptica ou magnética por meio de uma mudança de estado do material”.

"O dióxido de vanádio é um dos materiais raros e surpreendentes que surgiram como um candidato promissor para dispositivos bio-inspirados neuromiméticos", 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 neurônios (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 físicos muito diferentes, intrínsecos no mesmo material, poderiam ser codificados para computação cognitiva.

Para seus experimentos, os cientistas desencadearam a transição com pulsos extremamente curtos de fótons – partículas de luz. Em seguida, eles capturaram a resposta em escala atômica do material usando um instrumento de difração de elétrons ultrarrápidos de mega-elétron-volt (MeV-UED) desenvolvido em Brookhaven.

Você pode pensar nessa ferramenta como semelhante a uma câmera convencional com o obturador aberto em um ambiente escuro, disparando flashes intermitentes para capturar algo como uma bola lançada em movimento. A cada flash, a câmera grava uma imagem; a série de imagens tiradas em diferentes momentos revela a trajetória da bola em voo.

O "estroboscópio" MeV-UED captura a dinâmica de um objeto em movimento de maneira semelhante, mas em uma escala de tempo muito mais rápida (menor que um trilionésimo de segundo) e em uma escala de comprimento muito menor (menor que um bilionésimo de milímetro ). Ele usa elétrons de alta energia para revelar as trajetórias dos átomos.

"Medidas estáticas anteriores revelaram apenas o estado inicial e final da transição de isolador de dióxido de vanádio 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 átomos se movem - para capturar os estados transitórios de curta duração (ou 'ocultos') - para nos ajudar a entender a dinâmica da transição."

As imagens por si só não contam toda a história. Depois de capturar mais de 100.000 "tiros", os cientistas usaram técnicas sofisticadas de análise cristalográfica resolvidas no tempo que eles desenvolveram para refinar as mudanças de intensidade de algumas dezenas de "picos de difração de elétrons". Esses são os sinais produzidos pelos elétrons que se espalham pelos átomos da amostra de dióxido de vanádio à medida que os átomos e seus elétrons orbitais se movem do estado isolante para o estado metálico.

"Nosso instrumento usa tecnologia de acelerador para gerar elétrons com uma energia de 3 MeV, que é 50 vezes maior do que os instrumentos de microscopia eletrônica ultrarrápida e de difração baseados em laboratório", disse Zhu. "A energia mais alta nos permite rastrear elétrons espalhados em ângulos mais amplos, o que se traduz em ser capaz de 'ver' os movimentos dos átomos em distâncias menores com melhor precisão."

A análise revelou que a transição ocorre em dois estágios, sendo o segundo estágio mais longo em duração e mais lento em velocidade do que o primeiro. Também mostrou que as trajetórias dos movimentos dos átomos no segundo estágio não eram lineares.

"Você pensaria que a trajetória da posição A à 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 há outra força que também desempenha um papel na transição.

Pense nas imagens estroboscópicas da trajetória de uma bola. Quando você joga uma bola, você exerce uma força. Mas outra força, a gravidade, também puxa a bola para o chão, fazendo com que a trajetória se curve.

No caso do dióxido de vanádio, o pulso de luz é a força que faz a transição, e a curvatura nas trajetórias atômicas é causada pelos elétrons que orbitam em torno dos átomos de vanádio.

O estudo também mostrou que uma medida relacionada à intensidade da luz usada para desencadear a dinâmica atômica pode alterar as trajetórias atômicas – semelhante à maneira como a força que você exerce em uma bola pode afetar seu caminho. Quando a força é grande o suficiente, qualquer sistema (a bola ou os átomos) pode superar a interação concorrente para alcançar um caminho quase linear.

Para verificar e confirmar suas descobertas experimentais e entender melhor a dinâmica atômica, a equipe também realizou cálculos de dinâmica 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 instantâneos resolvidos no tempo dos movimentos atômicos.

O artigo descreve como a combinação de estudos teóricos e experimentais forneceu informações detalhadas, incluindo como os "dímeros" de vanádio (pares ligados de átomos de vanádio) se esticam e giram ao longo do tempo durante a transição. A pesquisa também abordou com sucesso algumas questões científicas de longa data sobre o dióxido de vanádio, incluindo a existência de uma fase intermediária durante a transição isolante para metal, o papel do aquecimento térmico induzido por fotoexcitação e a origem de transições incompletas sob fotoexcitação.

Este estudo lança uma nova luz sobre a compreensão dos cientistas de como a dinâmica eletrônica e de rede fotoinduzida afeta essa transição de fase específica – e 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".