изображение: Евгений Цымбал из Небраски и международная команда продемонстрировали, как создавать, контролировать и объяснять наноскопические стены, которые могут дать множество технологических преимуществ. Эти преимущества могут включать увеличенное хранилище и возможность сохранять состояние данных даже при выключении устройств — предшественник электроники, которая снова включается со скоростью и простотой света.
вид более
Авторы и права: Крейг Чендлер, Университет Небраски в Линкольне.
Несмотря на все непревзойденное, параллельно обрабатывающее, все еще неотличимое от магии волшебство, упакованное в три фунта взрослого человеческого мозга, он подчиняется тому же правилу, что и другие живые ткани, которыми он управляет: кислород необходим.
Так что Евгений Цымбал с оттенком иронии предложил свое объяснение технологического чуда — подвижные, покрытые данными стены толщиной всего в несколько атомов — которые в конечном итоге могут помочь компьютерам вести себя как мозг.
«Были однозначные доказательства того, что за это ответственны кислородные вакансии», — сказал Цымбал, профессор физики и астрономии Университета Джорджа Холмса в Университете Небраски-Линкольн.
В партнерстве с коллегами в Китае и Сингапуре Цымбал и несколько выпускников Husker продемонстрировал, как построить, контролировать и объяснить лишенные кислорода стенки наноскопически тонкого материала. подходит для электроники следующего поколения.
В отличие от большинства цифровых технологий записи и считывания данных, которые говорят только в бинарном виде, состоящем из единиц и нулей, эти стены могут говорить на нескольких электронных диалектах, что позволяет устройствам, в которых они размещены, хранить еще больше данных. Подобно синапсам в мозгу, прохождение электрических импульсов, посылаемых через стенки, может зависеть от того, какие сигналы прошли раньше, что придает им адаптивность и энергоэффективность, более схожую с человеческой памятью. И точно так же, как мозг сохраняет память, даже когда его пользователи спят, стены могут сохранять свое состояние данных, даже если их устройства выключаются — предшественник электроники, которая снова включается со скоростью и простотой света.
Команда исследовала стены, разрушающие барьеры, в наноматериале, называемом ферритом висмута, который можно нарезать в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Феррит висмута также может похвастаться редким качеством, известным как сегнетоэлектричество: поляризацию или разделение его положительных и отрицательных электрических зарядов можно изменить, подав всего лишь небольшое напряжение, записывая в процессе 1 или 0. В отличие от обычной DRAM, динамической памяти с произвольным доступом, которую необходимо обновлять каждые несколько миллисекунд, эти 1 или 0 остаются даже при отключении напряжения, что дает ей эквивалент долговременной памяти, которой нет в DRAM.
Обычно эта поляризация читается как 1 или 0 и переворачивается, чтобы переписать ее как 0 или 1 в области материала, называемой доменом. Два противоположно поляризованных домена встречаются, образуя стену, которая занимает лишь часть пространства, отведенного под сами домены. Толщина этих стенок в несколько атомов и необычные свойства, которые иногда проявляются внутри или вокруг них, сделали их главными подозреваемыми в поиске новых способов втиснуть все больше функций и памяти в уменьшающиеся устройства.
Тем не менее, стены, идущие параллельно поверхности ферроэлектрического материала и содержащие электрический заряд, который можно использовать для обработки и хранения данных, оказалось трудно найти, не говоря уже о регулировании или создании. Но около четырех лет назад Цымбал начал общаться с Цзиншэном Ченом из Национального университета Сингапура и Хэ Тианом из китайского Чжэцзянского университета. В то время Тиан и некоторые его коллеги впервые разработали метод, который позволял им применять напряжение в атомном масштабе, даже когда они записывали смещения и динамику атом за атомом в режиме реального времени.
В конечном итоге команда обнаружила, что приложение всего 1,5 вольта к пленке феррита висмута дает доменную стенку, параллельную поверхности материала, с удельным сопротивлением электричеству, значение которого может быть прочитано как состояние данных. Когда напряжение было снято, стена и ее состояние данных остались.
Когда команда увеличила напряжение, доменная стенка начала мигрировать вниз по материалу, поведение, наблюдаемое в других сегнетоэлектриках. В то время как стенки в этих других материалах затем распространялись перпендикулярно поверхности, этот остался параллельным. И в отличие от любого из своих предшественников, стена двигалась медленным темпом, мигрируя всего по одному атомному слою за раз. Его положение, в свою очередь, соответствовало изменениям его электрического сопротивления, которое падало в три отдельных этапа — три более читаемых состояния данных — которые возникали между приложением 8 и 10 вольт.
Исследователи определили несколько W — что, где, когда — критически важные для того, чтобы в конечном итоге использовать это явление в электронных устройствах. Но им все еще не хватало одного. Цымбал, как оказалось, был в числе немногих, кто имел право решать эту проблему.
«Там была головоломка, — сказал Цымбал. «Почему это происходит? И здесь теория помогла».
Большинство доменных стенок электрически нейтральны и не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда. На это есть веская причина: нейтральная стена требует мало энергии для поддержания своего электрического состояния, что фактически делает ее стандартной. Доменная стенка, обнаруженная командой в ультратонком феррите висмута, напротив, обладала значительным зарядом. И это, как знал Цымбал, должно было помешать ему стабилизироваться и сохраниться. Тем не менее, каким-то образом ему удавалось это делать, казалось бы, в нарушение правил физики конденсированного состояния.
Должно было быть объяснение. В своем предыдущем исследовании Цымбал и его коллеги обнаружили, что уход отрицательно заряженных атомов кислорода и положительно заряженные вакансии, которые они оставляют после себя, может помешать технологически полезному результату. На этот раз подкрепленные теорией расчеты Цымбала показали обратное: положительно заряженные вакансии компенсировали другие отрицательные заряды, накапливающиеся на стенке, существенно укрепляя ее в процессе.
Экспериментальные измерения, проведенные командой, позже показали, что распределение зарядов в материале почти точно совпадает с расположением доменной стенки, как и предсказывали расчеты. По словам Цымбала, если кислородные вакансии появятся на других ферроэлектрических площадках, они могут оказаться жизненно важными для лучшего понимания и разработки устройств, в которых используется ценный класс материалов.
«С моей точки зрения, это было самым захватывающим», — сказал Цымбал, который провел исследование при поддержке университетский квантовый проект EQUATE. «Это связывает сегнетоэлектричество с электрохимией. У нас есть какие-то электрохимические процессы, а именно движение кислородных вакансий, которые в основном управляют движением этих доменных стенок.
«Я думаю, что этот механизм очень важен, потому что то, что делает большинство людей, включая нас, теоретически, — это изучение нетронутых материалов, где поляризация переключается вверх и вниз, и изучение того, что происходит с сопротивлением. Все экспериментальные интерпретации этого поведения основывались на этой простой картине поляризации. Но здесь дело не только в поляризации. Он включает в себя некоторые химические процессы внутри него».
Команда подробно описал свои выводы в журнале ПриродаЦымбал, Тянь и Чен выступили авторами исследования вместе с Цзе Чжаном, Чжунгран Лю, Хань Ваном, Хунъян Юй, Юйсюань Ван, Сыюань Хун, Мэн Чжан, Чжаохуэй Рен и Янву Се, а также выпускниками Husker Минг Ли, Линлин Тао и Тула Паудель. .
