Революция для компьютеров: новый материал уменьшил потребление энергии в миллиард раз

Исследователи из США смогли сделать память с фазовым переходом энергоэффективной, что может кардинально изменить работу компьютеров, смартфонов и других устройств, использующих системы хранения данных. Они отчитались о достижениях в статье, опубликованной в научном журнале Nature.

Память с фазовым переходом (ПФП) — перспективная технология, которая использует различные фазы материалов для хранения информации. Когда материалы изменяют свое аморфное состояние на кристаллическое, то могут служить переключателем "вкл/выкл", что во многом похоже на двоичную (бинарную) систему, используемую для хранения данных сегодня.

Звучит сложно, но ПФП вполне можно использовать смартфонах, компьютерах, ноутбуках и других устройствах. Главная проблема заключается в том, что фазовый переход требует большого количества энергии, и этом мешает широко внедрить технологию в маломощной технике.

Сотрудники Пенсильванского университета, Массачусетского технологического института и Индийского института науки совместными усилиями осуществили фазовый переход селенида индия, используя одну миллиардную часть энергии, требовавшейся для работы с таким материалом раньше. По мнению ученых, это может вызвать революцию в хранении данных, в том числе в популярных гаджетах.

В аморфной фазе атомы материала расположены в случайном порядке. Процесс перехода материала в аморфную фазу называется аморфизацией, и обычно он достигается путем расплавления его до жидкого состояния, а затем быстрого охлаждения, так что кристаллы не могут образоваться.

Метод аморфизации с помощью закалки расплава является энергоемким, но десять лет назад исследовательская группа под руководством Ритеша Агарвала из Университета Пенсильвании обнаружила, что электрические импульсы также могут достигать того же результата в сплавах германия, сурьмы и теллура.

Команда продолжила работу в этом направлении и решила использовать полупроводниковый материал селенид индия. Он способен спонтанно поляризоваться и генерировать электрический ток в ответ на механическое напряжение благодаря пьезоэлектрической природе, быстро деформируясь.

Изучив эти процессы под специальным микроскопом, ученые нашли их похожими одновременно на землетрясение и снежную лавину. Когда электрический ток проходит через материал, крошечные участки размером в миллиардную часть метра начинают амортизировать. Пьезоэлектрические свойства материала и слоистая структура подталкивают части In2Se3 в нестабильные положения, подобно сдвигу снега на вершине горы.

В критической точке движение приводит к распространению деформаций, и когда деформированные области сталкиваются, в материале генерируются звуковые волны. Звуковые волны действуют как сейсмические, перемещающие землю во время землетрясения, что приводит к еще большей деформации и созданию новых аморфных областей, подобно лавине.

"Просто мурашки по коже бегут, когда видишь, как все эти явления взаимодействуют на разных масштабах длины одновременно", — сказал Шубхам Парате, докторант Индийского института, в пресс-релизе, опубликованном на портале EurekAlert.