激光网3月5日消息，人工智能有可能改变太阳能电池板、体内医疗传感器和自动驾驶汽车等各种技术。但是，这些应用程序已经在速度、内存大小和能源使用方面将当今的计算机推向了极限。
幸运的是，人工智能、计算和纳米科学领域的科学家正在努力克服这些挑战，他们正在使用他们的大脑作为他们的模型。
这是因为与当今的计算机电路相比，人脑中的电路或神经元具有关键优势：它们可以在同一个地方存储信息并对其进行处理。这使得它们非常快速和节能。这就是为什么科学家们现在正在探索如何使用以十亿分之一米为单位的材料——“纳米材料”——来构建像我们的神经元一样工作的电路。然而，为了成功地做到这一点，科学家们必须在原子水平上准确了解这些纳米材料电路中发生的事情。
最近，包括美国能源部阿贡国家实验室科学家在内的一组研究人员开创了一种评估这种新方法。具体来说，他们使用美国能源部科学办公室的用户设施先进光子源来检查特定纳米材料的结构中发生的变化，因为它从传导电流变为不传导电流。这模拟了神经回路中“开”和“关”状态之间的切换。
该研究成果发表在《先进材料》杂志上。
在这些材料中，导电状态或相位由原子水平上的材料缺陷控制。通过对纳米材料施加压力，研究人员可以改变浓度并改变这些缺陷的位置。这改变了电子流动的途径。然而，这些缺陷不断移动，从而改变了材料的导电和非导电区域。到目前为止，这项动议一直极难研究。
“关于纳米材料缺陷的发生和性质已经有很多研究，”Argonne的材料科学家Dillon Fong解释说。“但是，当材料发生相变时，我们对这些缺陷的动态知之甚少。我们想证明，你可以使用X射线来检查纳米材料中导电相和非导电相之间的过渡，条件与这些材料的使用条件相似。该团队展示了 APS 如何帮助实现这一目标。
在实验中，研究人员选择了一种材料SrCoOx，可在导电和非导电绝缘相之间轻松切换。为了在纳米尺度上观察导电相和绝缘相之间的波动，他们使用了一种称为X射线光子相关光谱的技术。这是由来自 APS 的高度相干的 X 射线束实现的。XPCS可以直接测量材料在原子尺度上不同相之间的波动速度，即使这些波动几乎无法检测到。
“如果没有来自APS的相干X射线束，XPCS的测量是不可能的，”APS的助理物理学家Qingteng Zhang说，他领导了X射线测量。
“此外，重要的是，我们必须在材料运行的相同条件下进行测量。这使我们能够了解材料在执行其预期功能时的行为方式。然而，这种环境控制通常需要将样品密封在腔室或圆顶中。这就是来自 APS 的高穿透力 X 射线束非常有用的地方。因为虽然腔室窗口或圆顶外壳对可见光不透明，但我们可以使任何一个对 X 射线完全透明。
APS升级正在进行中，将在2024年完成后将APS X射线的亮度提高500倍。这将大大提高测量速度以及包括XPCS在内的相干X射线技术的质量。这可能会为世界各地的研究人员创造前所未有的科学机会。
对于美国能源部橡树岭国家实验室的研究员Panchapakesan Ganesh来说，这是一个令人兴奋的前景。他与他的团队成员Vitalii Starchenko，ORNL和胡国祥一起领导了这项研究的理论工作。
Ganesh说：“来自此类实验的高质量数据对于我们开发理论和构建模型的能力至关重要，这些模型可以捕获纳米电子材料从导电阶段到非导电阶段时发生的情况。“例如，如果我们要开发接近我们大脑能源效率的纳米设备，我们需要了解能量如何在这些系统中耗散。
“没有一种单一的计算方法可以单独解决这类问题。我们需要来自实验和计算科学方面的最佳输入，以推进这种纳米尺度的理解。我们的综合方法就是一个很好的例子，我们认为这将刺激这个令人兴奋的新领域的更多研究。
除了Fong和Zhang，其他Argonne作者包括E. M. Dufresne，H. 周，Y. Dong，A. R. Sandy，G. E. Sterbinsky，G. Wan，I. C. Almazan和H. Liu。
