_ Stocare stabilă, mai rapidă a memoriei computerului la scara nanometrică

Spre deosebire de oameni, atunci când „creierele” computerelor evoluează, ele devin din ce în ce mai mici. Acest lucru se datorează faptului că componentele care efectuează calcule și consolidează informațiile stocate funcționează mai eficient atunci când sunt mai multe dintre ele strâns împachetate pe un cip.

Cu toate acestea, când dimensiunile caracteristicilor cipului devin prea mici, să zicem, la scara nanometrică , proprietățile lor fizice și materiale se pot schimba, făcându-le mai puțin fiabile în îndeplinirea sarcinilor lor. În ultimul deceniu, oamenii de știință au făcut progrese mari în descoperirea de noi substanțe care, în schimb, devin din ce în ce mai stabile pe măsură ce se reduc, sugerând promisiunea unor dispozitive de stocare mai mici care pot fi integrate pe unități de procesare a computerelor (CPU) din siliciu pentru a crește viteza și funcționalitatea.

Un astfel de compus este dioxidul de hafniu (HfO2), un material despre care s-a descoperit că păstrează o proprietate dezirabilă, cunoscută sub numele de feroelectricitate, chiar și la scara de câțiva nanometri (~2nm). Când un material feroelectric este expus la un câmp electric extern suficient de puternic, acesta devine puternic polarizat electric, care este o stare în care materialul are dipoli de sarcină plus-minus aliniați. Ceea ce este grozav la materialele feroelectrice este că această polarizare persistă, chiar dacă câmpul electric extern este îndepărtat, în mod analog cu modul în care un cui de fier poate deveni permanent magnetizat. Această polarizare persistentă înseamnă că materialul își amintește ultima direcție în care a fost polarizat electric.

Ceea ce face ca HfO2 să fie special este că poate comuta rapid între un mod de sus sau de jos — corespunzând celor și zerouri pe care le folosesc computerele — la dimensiuni reduse și apoi păstrați aceste informații până când sunt comutate din nou. Dar cum este capabil să realizeze această performanță a rămas un mister.

Acum, un grup de cercetători condus de Andrew M. Rappe, profesor de chimie Blanchard la Școala de Arte și Științe, a descoperit cum HfO2 își păstrează faza feroelectrică în aceste condiții și explică modul în care rămâne stabilă.

Cercetarea lor, publicată în Science Advances, detaliază modul în care HfO2 trece printr-o tranziție în doi pași, care are ca rezultat o schimbare a aranjamentului atomilor săi atunci când este crescut. pe o peliculă subțire. Acest lucru îi permite „trecerea de la o fază, care nu este foarte utilă, la una specială care ar putea fi utilă pentru următoarea generație de dispozitive de stocare a informațiilor”, spune co-primul autor al lucrării, Songsong Zhou, cercetător postdoctoral. la Școala de Arte și Științe.

„Convingerea populară care explică mecanismul acestei tranziții de fază a fost că era fie o simplă tranziție de fază adecvată, fie o tranziție de fază improprie rară și complicată”, spune Zhou. . „Cu toate acestea, am reușit să prezentăm o a treia alternativă: tensiunea de la creșterea pe o peliculă subțire și o schimbare neconvențională a stării de polarizare a HfO2 sunt legate împreună pentru a conduce o reacție complet nouă care induce o stare antiferoelectrică care stabilizează de fapt starea feroelectrică a HfO2.

Abilitatea de a avea un material să fie atât feroelectric, cât și antiferoelectric a fost o descoperire surpriză majoră. Cercetătorii au avut impresia că acestea sunt state concurente, deoarece materialele antiferoelectrice au sarcinile lor alternate între sus și jos, spre deosebire de sarcinile feroelectrice unidirecționale. „Modelul nostru prezintă un nou cadru pentru înțelegerea tranzițiilor de fază pentru materialele capabile să rețină stările de polarizare la scară nanometrică”, spune co-primul autor al lucrării, Jiahao Zhang, doctor în anul șase. student la catedra de chimie.

„HfO2 și alte câteva materiale concurează pentru a deveni materiale de memorie de succes pentru computer, dar toate au probleme în prezent”, spune Rappe. „Oferind o mai bună perspectivă asupra mecanismului feroelectricității în HfO2, munca noastră abordează unele dintre aceste probleme și deschide calea pentru dezvoltarea următoarei generații de materiale care ar putea într-o zi să integreze în curând atât procesarea, cât și memoria pe un singur cip.”

În continuare, cercetătorii se vor baza pe modelele lor, în timp ce îmbină în mod continuu perspective experimentale și teoretice pentru a valorifica lumea nanomaterialelor.

(Fluierul)