빛 펄스로 자극되는 물질, 에너지 효율이 더 높은 슈퍼컴퓨팅으로의 도약 가능

"오늘날의 슈퍼컴퓨터와 데이터 센터는 수 메가와트의 전력을 요구합니다." 미국 에너지부(DOE) Argonne National Laboratory의 물리학자 Haidan Wen이 말했습니다. "한 가지 과제는 에너지 효율적인 마이크로 전자공학을 위한 소재를 찾는 것입니다. 유망한 후보는 에너지 효율적인 마이크로 전자공학의 구성 요소로 인공 신경망에 사용할 수 있는 강유전체 소재입니다."

강유전체 재료는 컴퓨터 메모리, 트랜지스터, 센서 및 액추에이터와 같은 다양한 종류의 정보 처리 장치에서 찾을 수 있습니다. Argonne 연구원들은 재료에 부딪히는 광 펄스의 광자 양에 따라 원하는 끝까지 단계적으로 진화할 수 있는 강유전체 재료에서 놀라운 적응적 행동을 보고했습니다. Argonne 연구원들과 함께 일한 과학자들은 Rice University, Pennsylvania State University 및 DOE의 Lawrence Berkeley National Laboratory의 과학자들이었습니다.

이 팀의 자료는 물 속의 기름처럼 뚜렷한 네트워크화된 섬 또는 도메인으로 가득 차 있습니다. 이러한 도메인은 나노미터 크기(10억 분의 1미터)이며 빛 펄스에 반응하여 스스로를 재배열할 수 있습니다. 이러한 적응적 행동은 마이크로전자공학에서 에너지 효율적인 정보 이동에 사용될 수 있습니다.

팀의 강유전체 샘플은 납과 티탄산 스트론튬의 교대 층으로 구성된 샌드위치 구조입니다. 라이스 대학교 협력자들이 준비한 이 7층 샌드위치는 종이 한 장보다 1,000배 더 얇습니다. 이전에 팀은 샘플에 단일의 강렬한 광 펄스를 비추고 균일하고 나노스케일의 정렬된 구조를 만들었습니다.

"이번에는 샘플에 많은 약한 광 펄스를 쳤는데, 각각은 1조분의 1초 동안 지속됩니다." 웬은 말했다. "결과적으로 단일 구조가 아닌 도메인 구조의 패밀리가 생성되어 광학적 복용량에 따라 이미지화되었습니다."

나노스케일 반응을 시각화하기 위해 팀은 Center for Nanoscale Materials와 Advanced Photon Source(APS)에서 운영하는 Nanoprobe(빔라인 26-ID)를 사용했습니다. 둘 다 Argonne의 DOE Office of Science 사용자 시설입니다. Nanoprobe를 사용하면 직경이 수십 나노미터인 X선 빔이 초고속 광 펄스에 노출된 샘플을 스캔했습니다.

결과 이미지는 광 펄스로 인해 네트워크화된 나노 도메인이 생성, 삭제 및 재구성되는 것을 보여주었습니다. 이러한 도메인의 영역과 경계는 10나노미터(인간 머리카락보다 약 10,000배 작음)에서 10마이크로미터(구름 물방울 크기)로 진화하고 재배열되었습니다. 최종 제품은 샘플을 자극하는 데 사용된 광 펄스 수에 따라 달라졌습니다.

"초고속 레이저를 나노프로브 빔라인에 결합함으로써, 많은 에너지가 필요하지 않고도 광 펄스를 통해 네트워크화된 나노도메인에 변화를 일으키고 제어할 수 있습니다." X선 및 전자 현미경 과학자이자 그룹 리더인 마틴 홀트의 말입니다.

샘플은 나노도메인이 거미줄처럼 배열된 상태에서 시작하며, 빛 펄스에 의해 발생한 교란으로 인해 거미줄이 끊어지고 완전히 새로운 구성을 형성하여 적응형 네트워크와 유사하게 원하는 목적을 달성합니다.

"우리는 이러한 나노 도메인의 완전히 새로운 배열을 발견했습니다." Argonne 물리학자이자 그룹 리더인 Stephan Hruszkewycz가 말했습니다. "이제 더 많은 발견에 대한 문이 활짝 열렸습니다. 앞으로는 다양한 빛 자극 체계를 테스트하고 훨씬 더 알려지지 않은 나노 도메인과 네트워크를 관찰할 수 있을 것입니다." 최근 APS가 업그레이드되면서 시간에 따른 나노 스케일 변화를 시각화하는 능력이 크게 향상되어 최대 500배 더 밝은 X선 빔을 약속합니다.

네트워크화된 나노도메인에서 시간에 따른 변화에 대한 이 획기적인 발견으로 개발자들은 정보 저장 및 처리를 위한 적응형 네트워크를 구축하는 길에 들어섰습니다. 이 발전은 더욱 에너지 효율적인 컴퓨팅 시스템을 만들 것을 약속합니다.

이 연구는 Advanced Materials 에 실린 논문을 기반으로 합니다 . Wen, Holt, Hruszkewycz 외에도 저자로는 Marc Zajac, Tao Zhou, Tiannan Yang, Sujit Das, Yue Cao, Burak Guzelturk, Vladimir Stoica, Mathew Cherukara, John Freeland, Venkatraman Gopalan, Ramamoorthy Ramesh, Lane Martin, Long-Qing Chen이 있습니다.

이 연구에 대한 자금은 미국 에너지부 기초에너지과학국에서 지원받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241017113701.htm