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新しい研究は、人工知能とニューロモーフィックコンピューティングのためのフォトニクスを調査します

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将来のフォトニックニューロモーフィックコンピュータの概念的なレイアウト。 写真提供者:Thomas Ferreira de Lima
将来のフォトニックニューロモーフィックコンピュータの概念的なレイアウト。 写真提供者:Thomas Ferreira de Lima

要約:
科学者たちは、人間の脳の機能に直接触発されたハードウェアを組み込んだ、電子の代わりに光を使用して情報を処理および保存する、高速でエネルギー効率の高い将来のコンピューティングシステムを開発するための次のステップに魅力的な新しい洞察を与えました。

新しい研究は、人工知能とニューロモーフィックコンピューティングのためのフォトニクスを調査します


エクセター、英国| 1年2021月XNUMX日に投稿

エクセター大学のC.David Wright教授を含む科学者のチームは、従来の電子機器の代わりにフォトニクスを使用することにより、コンピューターシステムの将来の可能性を探求しました。

この記事は本日(29年2021月XNUMX日)、権威あるジャーナルNaturePhotonicsに掲載されました。

この調査では、世界で最も差し迫ったコンピューティング問題のXNUMXつである、このデータを高速かつエネルギー効率の高い方法で処理するコンピューティングテクノロジーを開発する方法の潜在的な解決策に焦点を当てています。

最新のコンピュータは、高速の中央処理装置(CPU)がはるかに低速なプログラムおよびデータメモリから物理的に分離されているフォンノイマンアーキテクチャに基づいています。

これは、計算速度が制限され、フォンノイマンボトルネックとして知られる帯域幅が制限され、エネルギー効率の悪い電気的相互接続を介してメモリとプロセッサとの間でデータを継続的に転送する必要があるため、電力が浪費されることを意味します。

その結果、最新のコンピューティングシステムの電力の50%以上が、このデータの移動だけで無駄になっていると推定されています。

エクセター大学工学部のCDavid Wright教授とこの研究の共著者のXNUMX人は、次のように説明しています。「明らかに、新しいアプローチが必要です。コンピューティングとメモリのコア情報処理タスクを融合できるアプローチです。これは、ハードウェアに直接学習、適応、進化する機能を組み込むことができ、エネルギーを節約し、速度を制限する電気的相互接続を排除します。」

フォトニックニューロモーフィックコンピューティングは、そのようなアプローチのXNUMXつです。 ここでは、信号は電子ではなく光を使用して通信および処理されるため、はるかに高い帯域幅(プロセッサ速度)にアクセスでき、エネルギー損失が大幅に削減されます。

さらに、研究者たちは、脳のニューロンとシナプスの基本機能を直接模倣するデバイスを開発し、高速で並列化された適応処理を提供できるネットワークでこれらを接続することにより、コンピューティングハードウェア自体を生物学的処理システム(脳)と同形にしようとしています人工知能および機械学習アプリケーション用。

このようなフォトニックな「脳のような」コンピューティングの最先端と、その将来の発展の可能性は、一流のジャーナルNaturePhotonicsに掲載された「人工知能とニューロモーフィックコンピューティングのためのフォトニクス」というタイトルの記事の焦点です。米国、ドイツ、英国の研究者の国際チーム。

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人工知能とニューロモーフィックコンピューティングのためのフォトニクス、BJ Shastri et al。、Nature Photonics、doi:10.1038 / s41566-020-00754-y:

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高効率ペロブスカイト太陽電池への一般的なアプローチ

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応用物理学研究所(IAP)とドレスデン工科大学(cfaed)の研究者は、高効率ペロブスカイト太陽電池の再現性のある製造のための一般的な方法論を開発しました。 彼らの研究は、有名なジャーナルNatureCommunicationsに掲載されました。 クレジットChristianeKunath
応用物理学研究所(IAP)とドレスデン工科大学(cfaed)の研究者は、高効率ペロブスカイト太陽電池の再現性のある製造のための一般的な方法論を開発しました。 彼らの研究は、有名なジャーナルNatureCommunicationsに掲載されました。 クレジット
クリスチャン・クナス

要約:
19世紀初頭に最初に報告された材料のクラスであるペロブスカイトは、太陽電池での使用による発電の候補として2009年に「再発見」されました。 それ以来、彼らは太陽光発電(PV)研究コミュニティを席巻し、前例のないペースで新記録の効率に到達しました。 この改善は非常に急速であったため、2021年までに、わずかXNUMX年以上後の研究で、従来のシリコンデバイスと同様のパフォーマンスをすでに達成しています。 ペロブスカイトを特に有望なものにしているのは、それらを作成する方法です。 シリコンベースのデバイスが重く、製造に高温が必要な場合、ペロブスカイトデバイスは軽量で、最小限のエネルギー投資で形成できます。 研究コミュニティを興奮させたのは、この組み合わせ–高性能と簡単な製造–です。

高効率ペロブスカイト太陽電池への一般的なアプローチ


ドレスデン、ドイツ| 1年2021月XNUMX日に投稿

ペロブスカイト太陽光発電の性能が急上昇したため、商業的に実行可能な技術を作成するために必要なサポート開発の一部が残されました。 ペロブスカイトの開発を悩ませ続けている問題のXNUMXつは、デバイスの再現性です。 一部のPVデバイスは、必要なレベルのパフォーマンスで製造できますが、まったく同じ方法で製造されたものは、効率が大幅に低下し、研究コミュニティを困惑させ、苛立たせます。

最近、YanaVaynzof教授のEmergingElectronic Technologies Groupの研究者は、ペロブスカイト膜の形成中に発生する基本的なプロセスが光起電力デバイスの再現性に強く影響することを確認しました。 溶液からペロブスカイト層を堆積させるとき、貧溶媒がペロブスカイト溶液に滴下されて、その結晶化を引き起こす。 「ペロブスカイトが貧溶媒にさらされている時間は、最終的なデバイスの性能に劇的な影響を与えることがわかりました。これは、これまで現場で見過ごされてきた変数です。」 Vaynzofグループのポスドク研究員であり、この研究の最初の著者であるアレクサンダー・テイラー博士は言います。 「これは、特定の貧溶媒がペロブスカイト層の前駆体を少なくとも部分的に溶解し、最終的な組成を変える可能性があるという事実に関連しています。 さらに、アンチソルベントとペロブスカイト溶液溶媒との混和性は、結晶化を引き起こす効果に影響を与えます。」

これらの結果は、研究者がPVデバイスを製造するときに、この貧溶媒ステップの違いが、観察された性能の再現性の欠如を引き起こす可能性があることを明らかにしています。 さらに進んで、著者は広範囲の潜在的な貧溶媒をテストし、これらの現象を制御することによって、テストされたほぼすべての候補から最先端の性能を得ることができることを示しました。 「ペロブスカイト活性層の品質に影響を与える主要なアンチソルベント特性を特定することで、新しいアンチソルベントの最適な処理を予測することもできます。これにより、この分野で一般的な面倒な試行錯誤の最適化が不要になります。」 cfaedのハイブリッド材料輸送グループのリーダーであり、研究に貢献したファビアン・パウルス博士は付け加えます。

「私たちの研究のもうXNUMXつの重要な側面は、貧溶媒の最適な適用がペロブスカイト光起電力デバイスの処理可能性ウィンドウを大幅に拡大できることを示しているという事実です」と、研究を主導したVaynzof教授は述べています。 「私たちの結果は、ペロブスカイト研究コミュニティに、この有望な技術を商用製品に発展させるために必要な貴重な洞察を提供します。」

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熱履歴センシングに役立つプラズモン結合金ナノ粒子

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回復温度の関数としての偏光減光スペクトルのピーク波長。これは、光学熱履歴センサーに適用できる温度依存の動作を示しています。 画像クレジット:Mehedi H. Rizvi
回復温度の関数としての偏光減光スペクトルのピーク波長。これは、光学熱履歴センサーに適用できる温度依存の動作を示しています。 画像クレジット:Mehedi H. Rizvi

要約:
研究者は、金ナノ粒子のクラスターが埋め込まれた形状記憶ポリマーを伸ばすと、プラズモンカップリングが変化し、望ましい光学特性が生じることを実証しました。 この材料の潜在的な用途のXNUMXつは、光学特性に依存して物体または環境の熱履歴を追跡するセンサーです。

熱履歴センシングに役立つプラズモン結合金ナノ粒子


ノースカロライナ州ダーラム| 1年2021月XNUMX日に投稿

問題となっているのは、金ナノスフェアが埋め込まれた伸縮性ポリマーです。 材料を加熱して引き伸ばした後、室温まで冷却すると、材料は引き伸ばされた形状を無期限に保持します。 摂氏120度に再加熱されると、材料は元の形状に戻ります。

しかし、本当に興味深いのは、金のナノスフェアがポリマーに完全に分散していないことです。 代わりに、それらはクラスターを形成し、その中でそれらの表面プラズモン共鳴が結合されます。 これらのプラズモン結合ナノ粒子は、それらが互いにどれだけ近いかに応じてシフトする光学特性を持っており、伸縮すると複合材料の形状が変化するときに変化します。

「材料によって吸収される光のピーク波長を評価する場合、光が延伸方向に平行に偏光するか垂直に偏光するかによって大きな違いがあります」と、この研究に関する論文の対応する著者であり、材料の教授であるジョートレーシーは述べています。ノースカロライナ州立大学の科学と工学。 「伸ばす方向に平行に偏光された光の場合、材料を伸ばすほど、吸収される光は赤にシフトします。 伸縮方向に垂直に偏光された光の場合、青方偏移があります。」

「また、形状記憶ポリマーは室温でその形状を保持しますが、さらされる温度に応じて、予測可能な方法で元の形状を回復することもわかりました」と、論文の共著者であるTobiasKrausは述べています。 Leibniz Institute for New Materialsのグループリーダーであり、ザールラント大学の教授です。

具体的には、元の長さを超えて140%引き伸ばされると、元のサイズに向かってどれだけ収縮したかを測定することにより、ポリマーがさらされる最高温度(摂氏120度まで)を決定できます。 さらに、プラズモン結合ナノ粒子のため、この変化は、材料の光学特性の測定を通じて間接的に測定することができます。

「実用的な観点から、これにより、光学式熱履歴センサーを作成できます」とJoeTracy氏は言います。 「光を使って、材料がどれだけ熱くなったかを確認できます。 熱履歴センサーの重要な用途は、熱の大きな変化に敏感な材料の輸送または保管の品質または安全性を保証することです。 金ナノ粒子のプラズモンカップリングに基づくアプローチを実証しました。」

センサーの概念は経験的に開発されましたが、研究者は計算モデリングを使用して、金ナノスフェアのクラスターの構造と、ストレッチ中にクラスターがどのように変化したかをよりよく理解しました。 プラズモン結合の強さは、「プラズモン定規」として知られているナノスフェア間の間隔に関連しています。

「私たちのシミュレーションに基づいて、プラズモン結合ナノ粒子間の距離をそれらの光学特性から推定することができます」と、論文の共著者でノースカロライナ大学チャペルヒル校の物理学教授であるエイミーオルデンバーグは述べています。 「この比較は、プラズモン結合ナノ粒子に基づく将来のポリマーナノコンポジットの設計に役立ちます。」

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論文「機械的/熱的センシングのための延伸形状記憶ポリマー中のプラズモン結合金ナノ粒子」は、ACS AppliedNanoMaterials誌に掲載されています。 この論文の筆頭著者は、ノースカロライナ州立大学の元大学院生であるPrachiYadavです。 この論文は、ノースカロライナ州立大学のMehedi Rizvi、Sumeet Mishra、Brian Chapman、BrianLynchによって共同執筆されました。 ライプニッツ新素材研究所のビョルン・クッチッチ。

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要約:
Oxford Instruments Asylum Researchは、Jupiter XR原子間力顕微鏡(AFM)用のVariable Field Module(VFM)アクセサリのリリースを発表しました。 VFMアクセサリによって可能になる調整可能な磁場は、強磁性薄膜のドメイン反転動作のイメージング、センサーデバイスの磁場依存抵抗の研究、磁性粒子のイメージングなどのアプリケーションに役立ちます。 このAsylumResearch専用アクセサリは、サンプルと面内または面外のいずれかに磁場を印加するように構成できます。 オックスフォードインスツルメンツアサイラムリサーチのアプリケーションサイエンティストマネージャーであるジェイソンリー博士は、次のように述べています。

Oxford Instruments Asylum Researchは、Jupiter XR、大規模サンプル原子間力顕微鏡用の可変磁場モジュールアクセサリをリリースしました


カリフォルニア州サンタバーバラ| 26年2021月XNUMX日に投稿

Asylum Research AFMは、エネルギー貯蔵、ポリマー、半導体、2D材料など、さまざまな産業および学術研究分野で広く使用されています。 Jupiter XRは、直径200ミリメートルまでのサンプルに対応し、100×100ミクロンまでの領域を検査できると同時に、超高解像度と高スループットを実現する大規模サンプルAFMであり、通常の画像の取得には1分かかります。

- 終わり -

Oxford Instruments Asylum ResearchInc。のために発行されました。

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Oxford Instruments AsylumResearchについて
Oxford Instruments Asylum Researchは、材料と生物科学の両方の研究における原子間力顕微鏡の技術リーダーです。 Asylum Research AFMは、材料科学、ポリマー、薄膜、エネルギー研究、生物物理学にまたがるさまざまな分野のサンプルを特性評価するために、学術研究者と産業研究者の両方で広く使用されています。 Asylum Research AFMは、サンプルのトポグラフィーと粗さの日常的なイメージングに加えて、ナノ電気、ナノメカニカル、および電気機械の特性評価のための比類のない解像度と定量的測定機能も提供します。 最近の進歩により、これらの測定ははるかに簡単で自動化され、一貫性と生産性が向上しています。 そのCypher™、MFP-3D™、およびJupiter™AFM製品ラインは、幅広いパフォーマンスと予算に及びます。 Asylum Researchは、AFMプローブ、アクセサリ、および消耗品の包括的なセレクションも提供しています。 営業、アプリケーション、サービスのオフィスは米国、ドイツ、英国、日本、フランス、インド、中国、台湾にあり、販売代理店は他のグローバル地域にあります。

Oxford Instruments plcについて

Oxford Instrumentsは、研究および産業用アプリケーションに重点を置いたハイテクツールおよびシステムを設計、提供、およびサポートしています。 Oxford Instrumentsの60年にわたる成長と成功の原動力はイノベーションであり、世界の最も差し迫った課題のいくつかに対処するという中核的な目的をサポートしています。

オックスフォード大学からスピンアウトした最初のテクノロジービジネスであるオックスフォードインスツルメンツは現在、グローバル企業であり、ロンドン証券取引所(OXIG)のFTSE250インデックスに上場しています。 その戦略は、顧客中心の市場中心のグループであり、顧客が直面する技術的および商業的課題を理解することに焦点を当てています。 主要な市場セグメントには、半導体と通信、先端材料、ヘルスケアとライフサイエンス、および量子技術が含まれます。

彼らのポートフォリオには、低温や高磁場環境などの分野における幅広いコア技術が含まれています。 核磁気共鳴; X線、電子、レーザー、光学ベースの計測。 原子間力顕微鏡; 光学イメージング; 高度な成長、堆積、エッチング。

オックスフォードインスツルメンツは、グリーン経済、接続性の向上、健康の改善、科学的理解の飛躍を可能にするのに役立っています。 彼らの高度な製品とサービスにより、世界をリードする産業企業と科学研究コミュニティは、原子および分子レベルまで材料を画像化、分析、操作することができ、研究開発の加速、製造生産性の向上、画期的な発見に役立ちます。

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設計により、より長持ちし、より強力なリチウム電池が可能になります。新しい電解質を使用すると、高度な金属電極とより高い電圧が可能になり、容量とサイクル寿命が向上します。

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ブルックヘブン国立研究所で撮影されたX線トモグラフィー画像は、従来の電解質を使用したバッテリーセルのXNUMXつの電極の粒子の亀裂を示しています(左側を参照)。 研究者たちは、新しい電解質を使用することで、この亀裂のほとんどが防止されることを発見しました(右)。 クレジット:画像:研究者の厚意による
ブルックヘブン国立研究所で撮影されたX線トモグラフィー画像は、従来の電解質を使用したバッテリーセルのXNUMXつの電極の粒子の亀裂を示しています(左側を参照)。 研究者たちは、新しい電解質を使用することで、この亀裂のほとんどが防止されることを発見しました(右)。
クレジット:画像:研究者の厚意による

要約:
リチウムイオン電池は、携帯性が当たり前になっている軽量の電子機器と、電気自動車の急速な生産拡大を可能にしました。 しかし、世界中の研究者は、既存のデバイスのパフォーマンスを改善し、潜在的に長いなどの新しいアプリケーションを可能にするために、これまで以上に高いエネルギー密度(特定の材料の質量に保存できるエネルギー量)を達成するために限界を押し続けています-レンジドローンとロボット。

設計により、より長持ちし、より強力なリチウム電池が可能になります。新しい電解質を使用すると、高度な金属電極とより高い電圧が可能になり、容量とサイクル寿命が向上します。


マサチューセッツ州ケンブリッジ| 26年2021月XNUMX日に投稿

有望なアプローチのXNUMXつは、従来のグラファイトの代わりに金属電極を使用し、カソードの充電電圧を高くすることです。 しかしながら、これらの努力は、電極を分離する電解質で起こる様々な望ましくない化学反応によって妨げられてきた。 現在、MITや他の場所の研究者チームは、これらの問題を克服し、サイクル寿命を犠牲にすることなく、次世代バッテリーの重量あたりの電力を大幅に向上させることができる新しい電解質を発見しました。

この研究は本日、MITのJu Li教授、Yang Shao-Horn教授、およびJeremiahJohnson教授による論文のNatureEnergy誌に報告されています。 ポスドクWeijiangXue; MIT、19つの国立研究所、その他の場所に260人がいます。 研究者たちは、この発見により、現在は通常420キログラムあたり約XNUMXワット時を蓄えることができるリチウムイオン電池が、XNUMXキログラムあたり約XNUMXワット時を蓄えることが可能になる可能性があると述べています。 これは、電気自動車の航続距離が長くなり、携帯機器の変化が長続きすることを意味します。

この電解質の基本的な原材料は安価であり(中間化合物のXNUMXつは使用が限られているため、依然として高価です)、製造プロセスは簡単です。 したがって、この進歩は比較的迅速に実施できると研究者らは述べています。

電解質自体は新しいものではない、と化学の教授であるジョンソンは説明します。 数年前にこの研究チームの一部のメンバーによって開発されましたが、アプリケーションは異なります。 これは、電池のエネルギー密度を最大化するための究極の長期的解決策と見なされているリチウム空気電池を開発する取り組みの一環でした。 しかし、そのような電池の開発にはまだ多くの障害があり、その技術はまだ数年先にあるかもしれません。 その間、その電解質を金属電極を備えたリチウムイオン電池に適用することは、はるかに迅速に達成できるものであることが判明しました。

この電極材料の新しい用途は、数年前にシャオホーン、ジョンソンなどによってリチウム空気電池の開発を目的とした共同事業で最初に開発された後、「やや偶然に」発見されました。

「優れた充電式リチウム空気電池を可能にするものはまだありません」とジョンソン氏は言います。 しかし、「使用されている既存の液体電解質と比較して、安定性をもたらすことを期待してこれらの有機分子を設計しました。」 彼らは、XNUMXつの異なるスルホンアミドベースの製剤を開発しました。これらの製剤は、酸化やその他の分解作用に対して非常に耐性があることがわかりました。 その後、Liのグループと協力して、ポスドクのXueは、代わりに、より標準的なカソードでこの材料を試すことにしました。

彼らが現在この電解質で使用しているタイプのバッテリー電極、コバルトとマンガンを含む酸化ニッケルは、「今日の電気自動車産業の主力製品です」と、核科学と工学および材料科学と工学の教授である李は言います。

電極材料は、充電および放電されると異方的に膨張および収縮するため、従来の電解液と一緒に使用すると、亀裂や性能の低下につながる可能性があります。 しかし、ブルックヘブン国立研究所と共同で行った実験で、研究者たちは、新しい電解質を使用することで、これらの応力腐食割れの劣化が大幅に減少することを発見しました。

問題は、合金中の金属原子が液体電解質に溶解する傾向があり、質量を失い、金属に亀裂が生じることでした。 対照的に、新しい電解質はそのような溶解に対して非常に耐性があります。 ブルックヘブンのテストのデータを見ると、「電解質を交換するだけで、これらの亀裂がすべてなくなるのを見るのは、一種の衝撃的でした」とLi氏は言います。 彼らは、電解質材料の形態がはるかに堅牢であり、遷移金属がこれらの新しい電解質に「それほど溶解性を持たない」ことを発見しました。

これは驚くべき組み合わせだったと彼は言います。なぜなら、この材料はリチウムイオンを容易に通過させ、遷移金属として知られる他の陽イオンの侵入を阻止しながら、電池の充電と放電を行うための基本的なメカニズムです。 多くの充放電サイクル後の電極表面への不要な化合物の蓄積は、標準の電解液と比較してXNUMX分のXNUMX以上減少しました。

「電解質は、高エネルギーのニッケルに富む材料の酸化に対して化学的に耐性があり、粒子の破壊を防ぎ、サイクル中の正極を安定させます」と、機械工学および材料科学および工学の教授であるShao-Hornは述べています。 「電解質はまた、リチウム金属の安定した可逆的なストリッピングとメッキを可能にします。これは、最先端のリチウムイオン電池のXNUMX倍のエネルギーで充電可能なリチウム金属電池を実現するための重要なステップです。 この発見は、固体電解質を備えたものに匹敵するリチウム金属電池用の液体電解質のさらなる電解質探索と設計を促進するでしょう。」

次のステップは、生産を拡大して手頃な価格にすることです。 「私たちは、すぐに入手できる市販の出発物質から、XNUMXつの非常に簡単な反応でそれを作ります」とジョンソンは言います。 現在、電解質の合成に使用される前駆体化合物は高価ですが、「これが家電製品に最適な電解質であることを世界に示すことができれば、さらにスケールアップする動機が価格を下げるのに役立つと思います。 。」

これは本質的に既存の電解質の「ドロップイン」交換であり、バッテリーシステム全体の再設計を必要としないため、Li氏は、迅速に実装でき、数年以内に商品化できると述べています。 「高価な元素はありません。炭素とフッ素だけです。 したがって、リソースによって制限されるのではなく、プロセスにすぎません」と彼は言います。

この研究は、米国エネルギー省と国立科学財団の支援を受け、ブルックヘブン国立研究所とアルゴンヌ国立研究所の施設を利用しました。

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