超快相机可捕获潜在神经形态材料的隐藏行为

　　朱一美和李俊杰在布鲁克海文国家实验室加速器测试设施的3MeV超快电子衍射仪上。该仪器就像高分辨率频闪相机一样，用于跟踪原子的轨迹。图片来源：布鲁克海文国家实验室
　　想象一下，一台计算机可以像人脑一样快速思考，同时使用很少的能量。这是科学家的目标，他们寻求发现或开发能够像大脑的神经元和突触一样容易地发送和处理信号的材料。识别具有在两种不同形式（或多种）之间切换的内在能力的量子材料可能是这些未来听起来神经形态计算技术的关键。
　　在刚刚发表在《物理评论X》杂志上的一篇论文中，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的物理学家朱一美和他的合作者描述了关于二氧化钒的令人惊讶的新细节，二氧化钒是最有前途的神经形态材料之一。使用独特的频闪相机收集的数据，该团队捕获了原子运动的隐藏轨迹，因为这种材料响应于光脉冲从绝缘体转变为金属。他们的发现可以帮助指导高速和节能神经形态设备的合理设计。
　　减少人工神经元和突触中用于大脑启发计算的能量消耗的一种方法是利用量子材料的显着非线性特性，朱说。这种能源效率背后的主要思想是，在量子材料中，一个小的电刺激可能会产生一个大的响应，可以通过材料状态的变化产生电的，机械的，光学的或磁性的。
　　二氧化钒是稀有的，惊人的材料之一，已成为神经模拟生物启发设备的有希望的候选者，他说。它在室温附近表现出绝缘体金属转变，其中小电压或电流可以通过开关产生电阻率的较大变化，从而可以模仿神经元（神经细胞）和突触（它们之间的连接）的行为。
　　它从完全绝缘像橡胶一样到非常好的金属导体，电阻率变化为10，000倍或更多，朱说。
　　这两种截然不同的物理状态，在同一材料中固有的，可以被编码用于认知计算。
　　可视化超快原子运动
　　在他们的实验中，科学家们用极短的光子脉冲（光粒子）触发了这种转变。然后，他们使用布鲁克海文开发的兆电子伏特超快电子衍射（MeVUED）仪器捕获了材料的原子级响应。
　　您可以将此工具视为类似于传统相机，在黑暗设置下将快门保持打开状态，发射间歇性闪光灯以捕捉运动中投掷的球之类的东西。每次闪光灯时，相机都会记录图像；在不同时间拍摄的一系列图像揭示了球在飞行中的轨迹。
　　二氧化钒晶格在其稳态下的这种表示显示了钒原子在绝缘体相（固体橙色球体）和金属相（空心红色球体）中的位置。插图：光脉冲（光子）触发从绝缘体到金属的两级相变，其中钒原子在第一级的运动是线性的，然后在第二级弯曲。这种弯曲的运动证明，另一种力（由围绕钒原子运行的电子施加）也在跃迁中发挥作用。图片来源：布鲁克海文国家实验室
　　MeVUED频闪仪以类似的方式捕获移动物体的动力学，但时间尺度（短于万亿分之一秒）和长度尺度（小于十亿分之一毫米）。要快得多。它使用高能电子来揭示原子的轨迹。
　　以前的静态测量只揭示了二氧化钒绝缘体到金属过渡的初始和最终状态，但缺少详细的过渡过程，该论文的第一作者李俊杰说。我们的超快测量使我们能够看到原子如何移动捕获短暂的瞬态（或隐藏）状态以帮助我们了解过渡的动态。
　　仅凭图片并不能说明整个故事。在捕获了超过100，000个镜头之后，科学家们使用了他们开发的复杂的时间分辨晶体学分析技术来完善几十个电子衍射峰的强度变化。这些是电子从二氧化钒样品的原子中散射出来产生的信号，因为原子及其轨道电子从绝缘体状态移动到金属状态。
　　我们的仪器使用加速器技术产生能量为3MeV的电子，这比较小的基于实验室的超快电子显微镜和衍射仪器高出50倍，朱说。更高的能量使我们能够跟踪以更宽角度散射的电子，这意味着能够以更高的精度看到更短距离的原子的运动。
　　两级动力学和弯曲路径
　　分析显示，过渡分两个阶段进行，第二阶段的持续时间更长，速度比第一阶段慢。它还表明，第二阶段原子运动的轨迹不是线性的。
　　你可能会认为从位置A到B的轨迹将是一条直线尽可能短的距离。相反，这是一条曲线。这完全出乎意料，朱说。
　　这条曲线表明，还有另一股力量也在过渡中发挥作用。
　　回想一下球轨迹的频闪图像。当你扔球时，你施加了一种力量。但另一种力，重力，也将球拉到地面，导致轨迹弯曲。
　　此动画显示了二氧化钒在绝缘态和金属态之间切换时钒原子位置的变化。这种快速开关可以由微小的刺激触发，并将材料的电阻改变10，000倍或更多所有这些都是节能神经形态应用的有希望的特性。图片来源：布鲁克海文国家实验室
　　在二氧化钒的情况下，光脉冲是使跃迁进行的力，原子轨迹中的曲率是由围绕钒原子运行的电子引起的。
　　该研究还表明，与用于触发原子动力学的光强度相关的测量可以改变原子轨迹类似于你对球施加的力可以影响其路径的方式。当力足够大时，任何一个系统（球或原子）都可以克服竞争相互作用，实现近线性路径。
　　为了验证和确认他们的实验发现并进一步了解原子动力学，该团队还进行了分子动力学和密度泛函理论计算。这些建模研究帮助他们破译了力的累积效应，以跟踪结构在过渡期间如何变化，并提供了原子运动的时间分辨快照。
　　该论文描述了理论和实验研究的结合如何提供详细信息，包括钒二聚体（结合的钒原子对）如何在过渡过程中随时间拉伸和旋转。该研究还成功地解决了一些关于二氧化钒的长期科学问题，包括在绝缘体到金属过渡期间存在中间相，光激发诱导的热加热的作用以及光激发下不完全转变的起源。
　　这项研究为科学家对光诱导电子和晶格动力学如何影响这种特定相变的理解提供了新的视角，并且还应该有助于继续推动计算技术的发展。
　　当谈到制造模仿人脑的计算机时，朱说，我们还有很长的路要走，但我认为我们走在正确的轨道上。