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超快电子显微镜技术促进了对类脑计算过程的理解

2024-08-06 11:21:25 百科知识来源：

导读当今的超级计算机消耗大量能源，相当于数千个家庭的用电量。为了应对这一问题，研究人员正在开发一种利用人工神经网络的更节能的下一代超级...

当今的超级计算机消耗大量能源，相当于数千个家庭的用电量。为了应对这一问题，研究人员正在开发一种利用人工神经网络的更节能的下一代超级计算机。

这些网络模拟了人类大脑的基本单元神经元的过程。这种模拟可以通过某些材料中出现的电荷密度波来实现。电荷密度波是电子(带负电的粒子)以相关方式移动的波状模式。

电荷密度波增加了材料中电子运动的阻力。控制波的能力可以快速打开和关闭电阻。然后可以利用此特性实现更节能的计算以及超精确传感。然而，切换过程是如何发生的尚不清楚，特别是考虑到波在 200 亿分之一秒内从一种状态变为另一种状态。

美国能源部阿贡国家实验室的研究人员找到了一种研究这些波的新方法。为此，他们求助于纳米材料中心的超快电子显微镜，该中心是位于阿贡的美国能源部科学办公室用户设施。他们开发了一种新的显微镜技术，利用电脉冲观察已知在室温下形成电荷密度波的材料中的纳秒动态。这种材料是一种硫化钽，称为 1T-TaS2。

研究小组测试了这种硫化物薄片，并用两个电极连接以产生电脉冲。在短脉冲期间，人们认为产生的高电场或电流可能会驱动电阻切换。但超快电子显微镜的两次观察改变了这种认识。

首先，电荷密度波的融化是受到注入电流产生的热量而不是电荷电流本身的影响，即使在纳秒脉冲期间也是如此。其次，电脉冲在材料中引起鼓状振动，从而使波的排列发生摆动。

阿贡国家实验室的博士后研究员丹尼尔·达勒姆说：“多亏了这项新技术，我们确定了这两种以前从未观察到的电能纵电荷密度波状态的方式。融化反应模拟了大脑中神经元的激活方式，而振动反应可以在神经网络中产生类似神经元的放电信号。”

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