Революція для комп'ютерів: новий матеріал зменшив споживання енергії в мільярд разів

Пам'ять із фазовим переходом може зберігати багато даних, але потребує великої кількості енергії. Вчені знайшли спосіб скоротити її.

Дослідники зі США змогли зробити пам'ять із фазовим переходом енергоефективною, що може кардинально змінити роботу комп'ютерів, смартфонів та інших пристроїв, які використовують системи зберігання даних. Вони відзвітували про досягнення в статті, опублікованій у науковому журналі Nature.

Пам'ять із фазовим переходом (ПФП) — перспективна технологія, яка використовує різні фази матеріалів для зберігання інформації. Коли матеріали змінюють свій аморфний стан на кристалічний, то можуть служити перемикачем "увімкнути/вимкнути", що багато в чому схоже на двійкову (бінарну) систему, використовувану для зберігання даних сьогодні.

Звучить складно, але ПФП цілком можна використовувати e смартфонах, комп'ютерах, ноутбуках та інших пристроях. Головна проблема полягає в тому, що фазовий перехід вимагає великої кількості енергії, і це заважає широко впровадити технологію в малопотужній техніці.

Співробітники Пенсільванського університету, Массачусетського технологічного інституту та Індійського інституту науки спільними зусиллями здійснили фазовий перехід селеніду індію, використовуючи одну мільярдну частину енергії, яка була потрібна для роботи з таким матеріалом раніше. На думку вчених, це може спричинити революцію в зберіганні даних, зокрема в популярних гаджетах.

В аморфній фазі атоми матеріалу розташовані у випадковому порядку. Процес переходу матеріалу в аморфну фазу називається аморфізацією, і зазвичай він досягається шляхом розплавлення його до рідкого стану, а потім швидкого охолодження, так що кристали не можуть утворитися.

Метод аморфізації за допомогою загартування розплаву є енергомістким, але десять років тому дослідницька група під керівництвом Рітеша Агарвала з Університету Пенсільванії виявила, що електричні імпульси також можуть досягати того самого результату в сплавах германію, сурми і телуру.

Команда продовжила роботу в цьому напрямку і вирішила використовувати напівпровідниковий матеріал селенід індію. Він здатний спонтанно поляризуватися і генерувати електричний струм у відповідь на механічну напругу завдяки п'єзоелектричній природі, швидко деформуючись.

Вивчивши ці процеси під спеціальним мікроскопом, учені знайшли їх схожими одночасно на землетрус і снігову лавину. Коли електричний струм проходить через матеріал, крихітні ділянки розміром у мільярдну частину метра починають амортизувати. П'єзоелектричні властивості матеріалу і шарувата структура підштовхують частини In2Se3 в нестабільні положення, подібно до зсуву снігу на вершині гори.

У критичній точці рух призводить до поширення деформацій, і коли деформовані області стикаються, в матеріалі генеруються звукові хвилі. Звукові хвилі діють як сейсмічні, що переміщують землю під час землетрусу, що призводить до ще більшої деформації і створення нових аморфних областей, подібно до лавини.

"Просто мурашки по шкірі біжать, коли бачиш, як усі ці явища взаємодіють на різних масштабах довжини одночасно", — сказав Шубхам Парате, докторант Індійського інституту, у пресрелізі, опублікованому на порталі EurekAlert.