अल्ट्राफास्ट ‘कैमरा’ संभावित न्यूरोमॉर्फिक सामग्री के छिपे हुए व्यवहार को कैप्चर करता है

10 मई 2022

(नैनोवर्क समाचार) एक ऐसे कंप्यूटर की कल्पना करें जो बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करते हुए मानव मस्तिष्क जितनी तेजी से सोच सकता है। यही वैज्ञानिकों का लक्ष्य है जो ऐसी सामग्रियों की खोज या विकास करना चाहते हैं जो मस्तिष्क के न्यूरॉन्स और सिनेप्स के रूप में आसानी से सिग्नल भेज और संसाधित कर सकें। दो अलग-अलग रूपों (या अधिक) के बीच स्विच करने की आंतरिक क्षमता वाली क्वांटम सामग्री की पहचान करना इन फ्यूचरिस्टिक साउंडिंग “न्यूरोमोर्फिक” कंप्यूटिंग तकनीकों की कुंजी हो सकता है।

जर्नल में प्रकाशित एक पेपर में शारीरिक समीक्षा X (वीओ में अल्ट्राफास्ट फोटोएक्सिटेशन पर वीवी एटम डिमराइजेशन और रोटेशन डायनेमिक पाथवे का प्रत्यक्ष पता लगाना2“), अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी के एक भौतिक विज्ञानी, और उनके सहयोगियों ने वैनेडियम डाइऑक्साइड के बारे में आश्चर्यजनक नए विवरणों का वर्णन किया, जो सबसे आशाजनक न्यूरोमोर्फिक सामग्रियों में से एक है।

एक अद्वितीय “स्ट्रोबोस्कोपिक कैमरा” द्वारा एकत्र किए गए डेटा का उपयोग करते हुए, टीम ने परमाणु गति के छिपे हुए प्रक्षेपवक्र पर कब्जा कर लिया क्योंकि यह सामग्री प्रकाश की एक नाड़ी के जवाब में एक इन्सुलेटर से धातु में संक्रमण करती है। उनके निष्कर्ष उच्च गति और ऊर्जा कुशल न्यूरोमोर्फिक उपकरणों के तर्कसंगत डिजाइन को निर्देशित करने में मदद कर सकते हैं। वैनेडियम डाइऑक्साइड के क्रिस्टल जाली का प्रतिनिधित्व अपनी स्थिर अवस्था में वैनेडियम डाइऑक्साइड के क्रिस्टल जाली का यह प्रतिनिधित्व इन्सुलेटर चरण (ठोस नारंगी क्षेत्रों) और धातु चरण (खोखले लाल क्षेत्रों) में वैनेडियम परमाणुओं की स्थिति को दर्शाता है। इनसेट: प्रकाश की एक पल्स (फोटॉन) इन्सुलेटर से धातु में दो-चरण चरण संक्रमण को ट्रिगर करती है, जहां पहले चरण में वैनेडियम परमाणुओं की गति रैखिक होती है, फिर दूसरे चरण में घुमावदार होती है। यह घुमावदार गति इस बात का प्रमाण है कि एक अन्य बल (वैनेडियम परमाणुओं की परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारा लगाया गया) भी संक्रमण में भूमिका निभाता है। (छवि: ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला)

झू ने कहा, “मस्तिष्क से प्रेरित कंप्यूटिंग के लिए कृत्रिम न्यूरॉन्स और सिनेप्स में ऊर्जा खपत को कम करने का एक तरीका क्वांटम सामग्री के स्पष्ट गैर-रैखिक गुणों का दोहन करना है।” “इस ऊर्जा दक्षता के पीछे मुख्य विचार यह है कि, क्वांटम सामग्री में, एक छोटी विद्युत उत्तेजना एक बड़ी प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है जो भौतिक राज्य के परिवर्तन के माध्यम से विद्युत, यांत्रिक, ऑप्टिकल या चुंबकीय हो सकती है।”

“वैनेडियम डाइऑक्साइड दुर्लभ, अद्भुत सामग्रियों में से एक है जो न्यूरो-मिमेटिक जैव-प्रेरित उपकरणों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरा है,” उन्होंने कहा। यह कमरे के तापमान के पास एक इन्सुलेटर-धातु संक्रमण प्रदर्शित करता है जिसमें एक छोटा वोल्टेज या करंट स्विचिंग के साथ प्रतिरोधकता में एक बड़ा बदलाव पैदा कर सकता है जो दोनों न्यूरॉन्स (तंत्रिका कोशिकाओं) और सिनेप्स (उनके बीच संबंध) के व्यवहार की नकल कर सकता है।

झू ने कहा, “यह पूरी तरह से इंसुलेटिंग से, रबर की तरह, एक बहुत अच्छे धातु कंडक्टर के लिए जाता है, जिसमें प्रतिरोधकता 10,000 गुना या उससे अधिक होती है।”

उन दो बहुत अलग भौतिक अवस्थाओं, एक ही सामग्री में आंतरिक, को संज्ञानात्मक कंप्यूटिंग के लिए एन्कोड किया जा सकता है।

अल्ट्राफास्ट परमाणु गतियों की कल्पना करना

अपने प्रयोगों के लिए, वैज्ञानिकों ने प्रकाश के कणों – फोटॉनों की अत्यंत छोटी दालों के साथ संक्रमण को ट्रिगर किया। फिर उन्होंने ब्रुकहेवन में विकसित एक मेगा-इलेक्ट्रॉन-वोल्ट अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉन विवर्तन (एमईवी-यूईडी) उपकरण का उपयोग करके सामग्री के परमाणु-पैमाने पर प्रतिक्रिया पर कब्जा कर लिया।

आप इस उपकरण के बारे में सोच सकते हैं कि यह एक पारंपरिक कैमरे के समान है जिसमें शटर एक अंधेरे सेटिंग में खुला रहता है, गति में फेंकी गई गेंद की तरह कुछ पकड़ने के लिए रुक-रुक कर फ्लैश फायरिंग करता है। प्रत्येक फ्लैश के साथ, कैमरा एक छवि रिकॉर्ड करता है; अलग-अलग समय पर ली गई छवियों की श्रृंखला उड़ान में गेंद के प्रक्षेपवक्र को प्रकट करती है।

MeV-UED “स्ट्रोबोस्कोप” एक चलती हुई वस्तु की गतिशीलता को एक समान तरीके से पकड़ता है, लेकिन बहुत तेज समय के पैमाने पर (एक सेकंड के एक ट्रिलियनवें से कम) और बहुत छोटे लंबाई के पैमाने पर (एक मिलीमीटर के एक अरबवें हिस्से से छोटा)। यह परमाणुओं के प्रक्षेप पथ को प्रकट करने के लिए उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है!

पेपर के पहले लेखक जुन्जी ली ने कहा, “पिछले स्थिर मापों ने केवल वैनेडियम डाइऑक्साइड इन्सुलेटर-टू-मेटल संक्रमण की प्रारंभिक और अंतिम स्थिति का खुलासा किया, लेकिन विस्तृत संक्रमण प्रक्रिया गायब थी।” “हमारे अल्ट्राफास्ट माप ने हमें यह देखने की अनुमति दी कि परमाणु कैसे चलते हैं – अल्पकालिक क्षणिक (या ‘छिपी हुई’) अवस्थाओं को पकड़ने के लिए – हमें संक्रमण की गतिशीलता को समझने में मदद करने के लिए।”

सिर्फ तस्वीरें ही पूरी कहानी नहीं बयां करतीं। 100,000 “शॉट्स” के ऊपर कैप्चर करने के बाद, वैज्ञानिकों ने परिष्कृत समय हल क्रिस्टलोग्राफिक विश्लेषण तकनीकों का उपयोग किया जो उन्होंने कुछ दर्जन “इलेक्ट्रॉन विवर्तन चोटियों” के तीव्रता परिवर्तनों को परिष्कृत करने के लिए विकसित किया था। वे वैनेडियम डाइऑक्साइड नमूने के परमाणुओं को बिखरने वाले इलेक्ट्रॉनों द्वारा उत्पादित संकेत हैं क्योंकि परमाणु और उनके कक्षीय इलेक्ट्रॉन इन्सुलेटर राज्य से धातु राज्य में चले जाते हैं।

झू ने कहा, “हमारा उपकरण 3 MeV की ऊर्जा के साथ इलेक्ट्रॉन उत्पन्न करने के लिए त्वरक तकनीक का उपयोग करता है, जो छोटे प्रयोगशाला-आधारित अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और विवर्तन उपकरणों से 50 गुना अधिक है।” “उच्च ऊर्जा हमें व्यापक कोणों पर बिखरे हुए इलेक्ट्रॉनों को ट्रैक करने की अनुमति देती है, जो बेहतर सटीकता के साथ छोटी दूरी पर परमाणुओं की गति को ‘देखने’ में सक्षम होती है।”

दो चरण की गतिशीलता और एक घुमावदार पथ

विश्लेषण से पता चला कि संक्रमण दो चरणों में होता है, दूसरा चरण अवधि में लंबा और पहले की तुलना में गति में धीमा होता है। इससे यह भी पता चला कि दूसरे चरण में परमाणुओं की गति के प्रक्षेप पथ रैखिक नहीं थे।

“आपको लगता है कि स्थिति ए से बी तक का प्रक्षेपवक्र एक सीधी सीधी रेखा होगी – सबसे कम संभव दूरी। इसके बजाय, यह एक वक्र था। यह पूरी तरह से अप्रत्याशित था, ”झू ने कहा।

वक्र एक संकेत था कि एक और बल है जो संक्रमण में भी भूमिका निभाता है।

गेंद के प्रक्षेपवक्र की स्ट्रोबोस्कोपिक छवियों पर वापस विचार करें। जब आप गेंद फेंकते हैं, तो आप एक बल लगाते हैं। लेकिन एक अन्य बल, गुरुत्वाकर्षण भी गेंद को जमीन पर खींचता है, जिससे प्रक्षेपवक्र वक्र हो जाता है।

वैनेडियम डाइऑक्साइड के मामले में, प्रकाश नाड़ी वह बल है जो संक्रमण को आगे बढ़ाता है, और परमाणु प्रक्षेपवक्र में वक्रता वैनेडियम परमाणुओं के चारों ओर परिक्रमा करने वाले इलेक्ट्रॉनों के कारण होती है। वैनेडियम डाइऑक्साइड के क्रिस्टल जाली का प्रतिनिधित्व यह एनीमेशन वैनेडियम परमाणुओं की स्थिति में परिवर्तन दिखाता है क्योंकि वैनेडियम डाइऑक्साइड इन्सुलेटिंग और धातु राज्यों के बीच स्विच करता है। यह तेजी से स्विचिंग एक छोटी उत्तेजना द्वारा ट्रिगर किया जा सकता है और सामग्री के विद्युत प्रतिरोध को 10,000 गुना या उससे अधिक तक बदल देता है – ऊर्जा-कुशल न्यूरोमोर्फिक अनुप्रयोगों के लिए सभी आशाजनक गुण। (छवि: ब्रुकहेवन राष्ट्रीय प्रयोगशाला)

अध्ययन से यह भी पता चला है कि परमाणु गतिकी को ट्रिगर करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रकाश की तीव्रता से संबंधित एक उपाय परमाणु प्रक्षेपवक्र को बदल सकता है – जिस तरह से आप गेंद पर बल लगाते हैं, वह उसके पथ को प्रभावित कर सकता है। जब बल काफी बड़ा होता है, तो या तो सिस्टम (गेंद या परमाणु) एक निकट रैखिक पथ को प्राप्त करने के लिए प्रतिस्पर्धी बातचीत को पार कर सकता है।

अपने प्रयोगात्मक निष्कर्षों को सत्यापित करने और पुष्टि करने के लिए और परमाणु गतिशीलता को और समझने के लिए, टीम ने आणविक गतिशीलता और घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत गणना भी की। इन मॉडलिंग अध्ययनों ने उन्हें बलों के संचयी प्रभावों को समझने में मदद की ताकि यह पता लगाया जा सके कि संक्रमण के दौरान संरचनाएं कैसे बदल गईं और परमाणु गति के समय-समाधान स्नैपशॉट प्रदान किए।

पेपर बताता है कि कैसे सिद्धांत और प्रयोगात्मक अध्ययनों के संयोजन ने विस्तृत जानकारी प्रदान की, जिसमें वैनेडियम “डिमर” (वैनेडियम परमाणुओं के बाध्य जोड़े) संक्रमण के दौरान समय के साथ कैसे घूमते और घूमते हैं। अनुसंधान ने वैनेडियम डाइऑक्साइड के बारे में कुछ लंबे समय से चले आ रहे वैज्ञानिक प्रश्नों को भी सफलतापूर्वक संबोधित किया, जिसमें इन्सुलेटर-टू-मेटल संक्रमण के दौरान एक मध्यवर्ती चरण का अस्तित्व, फोटोएक्सिटेशन-प्रेरित थर्मल हीटिंग की भूमिका और फोटोएक्सिटेशन के दौरान अपूर्ण संक्रमण की उत्पत्ति शामिल है।

यह अध्ययन वैज्ञानिकों की समझ पर नई रोशनी डालता है कि कैसे फोटोइंड्रेटेड इलेक्ट्रॉनिक और जाली गतिशीलता इस विशेष चरण संक्रमण को प्रभावित करती है – और कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकी के विकास को आगे बढ़ाने में भी मदद करनी चाहिए।

जब मानव मस्तिष्क की नकल करने वाला कंप्यूटर बनाने की बात आती है, तो झू ने कहा, “हमें अभी भी एक लंबा रास्ता तय करना है, लेकिन मुझे लगता है कि हम सही रास्ते पर हैं।”

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