研究人员利用X射线显微镜识别出一种铁电材料，该材料能够根据受控的超快速外部刺激（如光脉冲）调整其反应。这一发现为节能微电子技术的应用提供了潜力。
“现代超级计算机和数据中心的能耗达到几个兆瓦，”美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的物理学家海丹·温表示。“我们的目标是寻找能够促进更高能效微电子的材料。一个可行的选择是适合人工神经网络的铁电材料，它可以集成到节能电子设备中。”
铁电材料被广泛用于各种信息处理设备，包括计算机存储、晶体管、传感器和执行器。阿贡的研究人员观察到一种铁电材料表现出意外的自适应行为，可以根据光脉冲击打材料的光子数量逐渐变化，以实现特定结果。他们与莱斯大学、宾夕法尼亚州立大学以及美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家合作。
研究中所涉的铁电材料含有彼此相连的区域或域，就像水中的油滴那样截然不同。这些纳米级域可以应对光脉冲重新排列，为微电子中的高效信息传输提供潜力。
该铁电样本被设计为一种层状结构，交替使用铅和钛酸锶。在莱斯大学的合作伙伴的帮助下，这种七层结构惊人地比标准纸张薄1000倍。之前，团队曾向一个样本照射单个强光脉冲，导致了均匀有序的纳米结构。
“这次，我们施加了多个每个持续一百万亿分之一秒的较弱光脉冲，”温解释说。“因此，我们产生了多种域结构，而不仅仅是一个，这取决于光剂量。”
研究人员利用阿贡的纳米材料中心和先进光源（APS） 的纳米探针（束线26-ID）可视化纳米级反应。这两者均属于美国能源部科学办公室的用户设施。纳米探针使用集中测量数十纳米的X射线束扫描样本，因为它接收一系列超快速光脉冲。
捕获的图像展示了纳米域如何根据光脉冲的影响而形成、消失和重新组合。这些域的尺寸和边界从10纳米（约为人类头发的10,000分之一）到10微米，类似于云滴的大小。最终的排列取决于刺激样本的光脉冲数量。
“通过将超快速激光与纳米探针束线结合，我们可以在使用最小能量的情况下，通过光脉冲启动和操纵网络化的纳米域中的变化，”X射线和电子显微镜专家及团队负责人马丁·霍尔特指出。
该样本开始时是蜘蛛网状的纳米域配置。光脉冲的影响打破了这个网状结构，导致形成全新的排列，朝着特定目标适应，就像一个自适应网络。
“我们发现了这些纳米域全新的排列，”阿贡物理学家及团队领袖斯特凡·霍鲁斯基维茨表示。“这为众多新的发现打开了大门。未来，我们计划探索多种光刺激方法，并检查更多未知的纳米域和网络。”新升级的APS显著提高了对时间变化的纳米级改变的可视化能力，提供的X射线束亮度高达500倍。
通过这一时间依赖性的网络化纳米域显著发现，研究人员正朝着创建可自适应的信息存储和处理网络的方向迈进，为更高能效的计算系统铺平道路。
该研究的成果已在高级材料中发表。除温、霍尔特和霍鲁斯基维茨外，贡献者还包括马克·扎亚克、周涛、杨天南、苏吉特·达斯、曹越、布拉克·古泽尔图尔克、弗拉基米尔·斯托伊卡、马修·切鲁卡拉、约翰·弗里兰德、文卡特拉曼·戈帕兰、拉玛穆尔提·拉梅什、莱恩·马丁和龙庆·陈。
本研究的资金由美国能源部基础能源科学办公室提供。
