铁电材料通过重新组织纳米级的原子连接来适应光刺激，其方式类似于神经网络的可塑性。

研究人员正在探索铁电材料在节能微电子方面的潜力。这些材料能够响应光脉冲来改变自身结构，从而形成多种畴结构，可能会让数据处理和存储发生变革，旨在大幅降低超级计算机和数据中心的能耗。

发现自适应铁电材料

美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的物理学家海丹·文（Haidan Wen）表示：“如今的超级计算机和数据中心需要数兆瓦的电力。”“一项挑战是找到制造能效更高的微电子的材料。一种有前景的候选材料是铁电材料，这种材料可以作为节能型微电子的一个元件，用于人工神经网络。”

铁电材料常用于计算机存储器、晶体管、传感器和执行器等各类信息处理装置中。阿贡国家实验室的研究人员发现了一种铁电材料具有惊人的自适应特性，能够根据接收到的光脉冲中的光子数量，逐步演化出特定的结果。本研究是与莱斯大学、宾夕法尼亚州立大学和美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家合作完成的。

该材料的特点是具有彼此不同的网状岛屿或区域，就像水中的油一样。这些区域以纳米（十亿分之一米）为单位，能够响应光脉冲进行重新排列。这种自适应行为可用于实现微电子中的节能数据处理。

研究团队的铁电样品由交替的钛酸铅和钛酸锶层构成的三明治结构。这一七层三明治结构由莱斯大学的合作者制备而成，其厚度比一张纸薄1000倍。此前，研究团队曾向样品发射单个强烈的光脉冲，并创建了均匀的纳米级有序结构。

以光诱导纳米畴进行创新

文（Wen）说：“这一次，我们用许多微弱的光脉冲照射样品，每个光脉冲的持续时间都达到了千万亿分之一秒。”“因此，根据光剂量，我们创建并成像出了一系列畴结构，而非单一结构。”

为了直观展示纳米级响应，研究团队动用了纳米探针（26-ID光束线），该设备由纳米材料中心和先进光子源（APS）操作。这两者均为阿贡国家实验室能源部科学办公室下属的用户设施。利用纳米探针，直径达数十纳米的X射线束在样品暴露于一系列超快光脉冲的过程中对其进行扫描。

所得图像显示了由于光脉冲而产生的网状纳米畴的创建、擦除和重新配置。这些畴的区域和边界在10纳米（大约是一根头发的十万分之一）到10微米（大约是云滴的大小）的长度范围内演变和重新排列。最终产物取决于用于刺激样本的光脉冲数量。

对未来计算效率的影响

X射线与电子显微镜科学家兼组长马丁·霍尔特表示：“通过将超快激光与Nanoprobe光束线相结合，我们可以利用光脉冲引发并控制联网纳米畴的变化，而无需太多能量。”

样本以纳米畴的蜘蛛网状排列开始，由于光脉冲产生的干扰，该网状结构分解并形成全新的结构，类似于自适应网络，为达到某种预期目的而发挥作用。

阿贡国家实验室物理学家兼小组组长斯蒂芬·赫鲁斯凯维奇（Stephan Hruszkewycz）表示：“我们发现了这些纳米畴的全新排列方式。现在，更多发现的大门已向我们敞开。未来，我们将能够测试不同的光刺激条件，并观察到更多未知的纳米畴和网络。”随着APS的近期升级，可视化纳米尺度随时间变化的能力将大大提高，X射线束的亮度有望提高500倍。

随着这一关于网络纳米畴随时间变化的开创性发现，开发人员正在构建用于信息存储和处理的自适应网络的道路上前进。这一进步有望创造出更节能的计算系统。

这项研究基于《先进材料》（Advanced Materials）期刊上的一篇论文。

参考文献：《通过光学控制自适应纳米级畴网络》，作者：Marc Zajac、Tao Zhou、Tiannan Yang、Sujit Das、Yue Cao、Burak Guzelturk、Vladimir Stoica、Mathew J. Cherukara、John W. Freeland、Venkatraman Gopalan、Ramamoorthy Ramesh、Lane W. Martin、Long-Qing Chen、Martin V. Holt、Stephan O. Hruszkewycz 和 Haidan Wen，发表于2024年7月10日，《先进材料》期刊。DOI：10.1002/adma.202405294

除文智林、霍尔特和赫鲁斯凯维奇外，其他作者还包括马克·扎亚茨、周涛、田楠杨、苏吉特·达斯、曹越、布拉克·古泽尔克、弗拉基米尔·斯托伊卡、马修·彻鲁卡拉、约翰·弗里兰、文卡特拉曼·戈帕兰、拉马穆提·拉梅什、莱恩·马丁和龙庆陈。

该研究的资金来自美国能源部基础能源科学办公室。