L’intelligence artificielle (IA) a le potentiel de transformer des technologies aussi diverses que les panneaux solaires, les capteurs médicaux intégrés au corps et les véhicules autonomes. Mais ces applications poussent déjà les ordinateurs actuels dans leurs retranchements en matière de vitesse, de taille de mémoire et de consommation d'énergie.
Heureusement, les scientifiques dans les domaines de l'IA, de l'informatique et des nanosciences s'efforcent de surmonter ces défis et utilisent leur cerveau comme modèle.
En effet, les circuits, ou neurones, du cerveau humain ont un avantage clé par rapport aux circuits informatiques actuels :ils peuvent stocker des informations et les traiter au même endroit. Cela les rend exceptionnellement rapides et économes en énergie. C'est pourquoi les scientifiques étudient désormais comment utiliser des matériaux mesurés en milliardièmes de mètre – les « nanomatériaux » – pour construire des circuits qui fonctionnent comme nos neurones. Toutefois, pour y parvenir, les scientifiques doivent comprendre précisément ce qui se passe au sein de ces circuits de nanomatériaux au niveau atomique.
Récemment, une équipe de chercheurs comprenant des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) a mis au point une nouvelle façon d'évaluer exactement cela. Plus précisément, ils ont utilisé l'Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour examiner les changements qui se produisent dans la structure d'un nanomatériau spécifique lorsqu'il passe de la conduction d'un courant électrique à sa conduction. Cela imite la commutation entre les états "on" et "off" dans un circuit neuronal.
Les travaux sont publiés dans la revue Advanced Materials .
Dans ces matériaux, l'état conducteur, ou phase, est contrôlé par les imperfections du matériau (ou « défauts ponctuels ») au niveau atomique. En soumettant le nanomatériau à une contrainte, les chercheurs peuvent modifier la concentration et changer la position de ces défauts. Cela modifie la voie du flux électronique. Cependant, ces défauts sont en mouvement constant, ce qui modifie les zones conductrices et non conductrices du matériau. Jusqu'à présent, cette motion a été extrêmement difficile à étudier.
"De nombreuses recherches ont été menées sur l'apparition et la nature des défauts des nanomatériaux", a expliqué Dillon Fong, spécialiste des matériaux à Argonne. "Mais nous en savions très peu sur la dynamique de ces défauts lorsqu'un matériau change de phase. Nous voulions montrer qu'il est possible d'utiliser les rayons X pour examiner les transitions entre phases conductrices et non conductrices dans des nanomatériaux dans des conditions similaires à celles dans lesquelles ces matériaux sera utilisé." L'équipe a démontré comment l'APS peut contribuer à rendre cela possible.
Pour l'expérience, les chercheurs ont choisi un matériau, SrCoOx , qui commute facilement entre les phases isolantes conductrices et non conductrices. Pour observer la fluctuation entre la phase conductrice et la phase isolante à l’échelle nanométrique, ils ont utilisé une technique appelée spectroscopie de corrélation de photons à rayons X (XPCS). Ceci est rendu possible par les faisceaux de rayons X hautement cohérents de l’APS. XPCS peut mesurer directement la vitesse à laquelle le matériau fluctue entre différentes phases à l'échelle atomique, même lorsque ces fluctuations sont à peine détectables.
"La mesure XPCS ne serait pas possible sans le faisceau de rayons X cohérent de l'APS", a déclaré Qingteng Zhang, physicien assistant à l'APS qui a dirigé les mesures de rayons X.
"De plus, il est important que nous prenions la mesure dans les mêmes conditions dans lesquelles le matériau fonctionnera. Cela nous permet de savoir comment le matériau se comportera tout en remplissant sa fonction prévue. Cependant, un tel contrôle environnemental nécessite généralement de sceller l'échantillon dans une chambre ou un dôme. C'est là que le faisceau de rayons X hautement pénétrant de l'APS est extrêmement utile. Car même si la fenêtre de la chambre ou la coque du dôme est opaque à la lumière visible, nous pouvons rendre l'une ou l'autre complètement transparente aux rayons X. ."
La mise à niveau de l'APS, actuellement en cours, augmentera la luminosité des rayons X de l'APS jusqu'à 500 fois après son achèvement en 2024. Cela augmentera considérablement la vitesse de mesure ainsi que la qualité des techniques de rayons X cohérentes, y compris XPCS. . Cela pourrait créer des opportunités scientifiques sans précédent pour les chercheurs du monde entier.
C'est une perspective passionnante pour Panchapakesan Ganesh, chercheur au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE. Il a dirigé les travaux théoriques de l'étude avec les membres de son équipe Vitalii Starchenko, ORNL, et Guoxiang Hu, aujourd'hui professeur adjoint à Georgia Tech.
"Les données de haute qualité provenant d'expériences comme celles-ci sont essentielles à notre capacité à développer des théories et à construire des modèles capables de capturer ce qui se passe dans les matériaux nanoélectroniques lorsqu'ils passent de phases conductrices à non conductrices", a déclaré Ganesh. "Par exemple, nous devons apprendre comment l'énergie se dissipe dans ces systèmes si nous voulons développer des nanodispositifs qui se rapprochent de l'efficacité énergétique de notre cerveau.
"Aucune approche informatique ne peut résoudre à elle seule ce type de problème. Nous avons besoin des meilleures contributions des sciences expérimentales et informatiques pour faire progresser cette compréhension à l'échelle nanométrique. Notre approche intégrée en est un parfait exemple, et nous pensons qu'elle stimulera plus de recherche dans ce nouveau domaine passionnant. "
Outre Fong et Zhang, d'autres auteurs d'Argonne incluent E. M. Dufresne, H. Zhou, Y. Dong, A. R. Sandy, G. E. Sterbinsky, G. Wan, I. C. Almazan et H. Liu.
Plus d'informations : Qingteng Zhang et al, Fluctuations intermittentes des défauts dans les hétérostructures d'oxydes, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202305383
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par le Laboratoire National d'Argonne
