Atom-dunne muren kunnen grootte, geheugenbarrières in apparaten van de volgende generatie doorbreken

Voor alle ongeëvenaarde, parallel verwerkende, nog steeds niet te onderscheiden-van-magische tovenarij verpakt in de drie pond van een volwassen menselijk brein, gehoorzaamt het dezelfde regel als het andere levende weefsel dat het controleert: zuurstof is een must.

Het was dus met een vleugje ironie dat Evgeny Tsymbal zijn verklaring gaf voor een technologisch wonder – verplaatsbare, met gegevens bedekte muren van slechts atomen breed – die computers uiteindelijk kunnen helpen zich meer als een brein te gedragen.

“Er was ondubbelzinnig bewijs dat zuurstofvacatures hiervoor verantwoordelijk zijn”, zegt Tsymbal, George Holmes University Professor in natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln.

In samenwerking met collega’s in China en Singapore hebben Tsymbal en een paar Husker-alumni gedemonstreerd hoe ze de zuurstofarme wanden van een nanoscopisch dun materiaal dat geschikt is voor next-gen elektronica kunnen construeren, beheersen en verklaren. Het team heeft zijn bevindingen in het tijdschrift beschreven Natuur.

In tegenstelling tot de meeste technieken voor het schrijven en lezen van digitale gegevens, die alleen het binaire getal van enen en nullen spreken, kunnen deze muren in verschillende elektronische dialecten praten, waardoor de apparaten waarin ze zijn ondergebracht nog meer gegevens kunnen opslaan. Net als synapsen in de hersenen, kan de doorgang van elektrische pieken die via de muren worden verzonden, afhangen van welke signalen eerder zijn gepasseerd, waardoor ze een aanpassingsvermogen en energie-efficiëntie krijgen die meer lijkt op het menselijk geheugen. En net zoals hersenen herinneringen bewaren, zelfs als hun gebruikers slapen, kunnen de muren hun gegevensstatus behouden, zelfs als hun apparaten worden uitgeschakeld – een voorloper van elektronica die weer wordt ingeschakeld met de snelheid en eenvoud van een lamp.

Het team onderzocht de barrière-doorbrekende muren in een nanomateriaal, bismutferriet genaamd, dat duizenden malen dunner kan worden gesneden dan een mensenhaar. Bismutferriet heeft ook een zeldzame kwaliteit die bekend staat als ferro-elektriciteit: de polarisatie of scheiding van de positieve en negatieve elektrische ladingen kan worden omgedraaid door slechts een snuifje spanning toe te passen en daarbij een één of nul te schrijven. In tegenstelling tot conventionele DRAM, een dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen dat om de paar milliseconden moet worden vernieuwd, blijft de 1 of 0 staan, zelfs als de spanning wordt verwijderd, waardoor het het equivalent wordt van langetermijngeheugen dat DRAM mist.

Gewoonlijk wordt die polarisatie gelezen als een één of nul, en omgedraaid om het te herschrijven als een nul of één, in een materiaalgebied dat een domein wordt genoemd. Twee tegengesteld gepolariseerde domeinen ontmoeten elkaar en vormen een muur, die slechts een fractie van de ruimte in beslag neemt die aan de domeinen zelf is gewijd. De dikte van slechts enkele atomen van die muren en de ongebruikelijke eigenschappen die er soms in of omheen ontstaan, hebben ze tot hoofdverdachten gemaakt in de zoektocht naar nieuwe manieren om steeds meer functionaliteit en opslag in krimpende apparaten te persen.

Toch zijn muren die parallel lopen aan het oppervlak van een ferro-elektrisch materiaal – en een elektrische lading opleveren die bruikbaar is voor gegevensverwerking en -opslag – moeilijk te vinden, laat staan ​​te reguleren of te creëren. Maar ongeveer vier jaar geleden begon Tsymbal te praten met Jingsheng Chen van de National University of Singapore en He Tian van de Chinese Zhejiang University. In die tijd pionierden Tian en enkele collega’s met een techniek waarmee ze spanning op atomaire schaal konden toepassen, zelfs toen ze atoom-voor-atoom verplaatsingen en dynamiek in realtime registreerden.

Uiteindelijk ontdekte het team dat het toepassen van slechts 1,5 volt op een bismut-ferrietfilm een ​​domeinmuur opleverde die evenwijdig is aan het oppervlak van het materiaal – een met een specifieke weerstand tegen elektriciteit waarvan de waarde kan worden gelezen als een gegevenstoestand. Toen de spanning werd weggenomen, bleef de muur en zijn gegevensstatus bestaan.

Toen het team de spanning opvoerde, begon de domeinmuur langs het materiaal te migreren, een gedrag dat wordt gezien in andere ferro-elektrische apparaten. Terwijl de wanden in die andere materialen zich toen loodrecht op het oppervlak hadden voortgeplant, bleef deze evenwijdig. En in tegenstelling tot al zijn voorgangers, nam de muur een glaciaal tempo aan en migreerde slechts één atomaire laag tegelijk. Zijn positie kwam op zijn beurt overeen met veranderingen in de elektrische weerstand, die daalde in drie verschillende stappen – drie meer leesbare gegevenstoestanden – die ontstonden tussen de toepassing van 8 en 10 volt.

De onderzoekers hadden een paar W’s vastgesteld – het wat, het waar, het wanneer – die essentieel zijn om het fenomeen uiteindelijk in elektronische apparaten te gebruiken. Maar ze misten er nog een. Toevallig was Tsymbal een van de weinige mensen die gekwalificeerd waren om het aan te pakken.

‘Er was een puzzel,’ zei Tsymbal. “Waarom gebeurt het? En dit is waar de theorie hielp.”

De meeste domeinmuren zijn elektrisch neutraal en hebben noch een positieve noch een negatieve lading. Dat is met een goede reden: een neutrale muur heeft weinig energie nodig om zijn elektrische toestand te behouden, waardoor het in feite de standaard wordt. De domeinmuur die het team identificeerde in het ultradunne bismutferriet daarentegen, had een substantiële lading. En dat, wist Tsymbal, had moeten voorkomen dat het stabiliseerde en volhardde. Maar op de een of andere manier slaagde het erin om precies dat te doen, alsof het de regels van de fysica van de gecondenseerde materie aan zijn laars lapte.

Er moest een verklaring zijn. In zijn eerdere onderzoek hadden Tsymbal en collega’s ontdekt dat het vertrek van negatief geladen zuurstofatomen, en de positief geladen vacatures die ze in hun kielzog achterlieten, een technologisch bruikbare uitkomst zou kunnen belemmeren. Deze keer suggereerden de door theorie ondersteunde berekeningen van Tsymbal het tegenovergestelde – dat de positief geladen leegtes compenseerden voor andere negatieve ladingen die zich ophoopten aan de muur, waardoor deze in wezen werd versterkt.

Experimentele metingen van het team zouden later aantonen dat de verdeling van ladingen in het materiaal bijna precies overeenkwam met de locatie van de domeinmuur, precies zoals de berekeningen hadden voorspeld. Als zuurstofvacatures opduiken in andere ferro-elektrische speeltuinen, zei Tsymbal, zouden ze van vitaal belang kunnen zijn voor een beter begrip en technische apparaten die de gewaardeerde materiaalklasse bevatten.

“Vanuit mijn perspectief was dat het meest opwindende”, zei Tsymbal, die het onderzoek uitvoerde met steun van het kwantumgerichte EQUTE-project van de universiteit. “Dit verbindt ferro-elektriciteit met elektrochemie. We hebben een soort elektrochemische processen – namelijk de beweging van zuurstofvacatures – die in feite de beweging van deze domeinmuren regelen.

“Ik denk dat dit mechanisme erg belangrijk is, want wat de meeste mensen doen – inclusief wij, in theorie – is kijken naar ongerepte materialen, waar polarisatie op en neer schakelt, en bestuderen wat er met de weerstand gebeurt. Alle experimentele interpretaties van dit gedrag waren gebaseerd op dit eenvoudige beeld van polarisatie. Maar hier is het niet alleen de polarisatie. Het gaat om enkele chemische processen erin.’