Российские ученые объяснили феномен работы сверхбыстрой компьютерной памяти

МОСКВА, 28 мар – РИА Новости. Сотрудники Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" Сергей Бразовский и Петр Карпов разработали теорию образования скрытого состояния в одном из самых перспективных материалов для современной микроэлектроники – слоистом дисульфиде тантала. Статья об исследовании опубликована в Scientific Reports.

Скрытое состояние вещества, о котором идет речь, Сергей Бразовский (ныне – ведущий ученый проекта "Теория локально настраиваемых электронных состояний в слоистых материалах" НИТУ "МИСиС") открыл в 2014 году вместе с коллегами из Словении. Эксперимент, после которого начался бум изучения слоистых материалов, заключался в том, что на образец дисульфида тантала размером меньше 100 нанометров воздействовали сверхкоротким лазерным или электрическим импульсом. 

Из-за этих импульсов в облученной области состояние материала менялось, и он из диэлектрика становился проводником (или наоборот, по желанию экспериментаторов). Причем, переключение происходило за одну пикосекунду – в разы быстрее, чем в самых "быстрых" материалах, выступающих носителями памяти в современных компьютерах. И состояние не исчезало после воздействия, а сохранялось. Соответственно, материал стал потенциальным кандидатом на роль основы в носителях информации нового поколения.

Суть исследования разъяснил РИА Новости соавтор Бразовского – инженер кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ "МИСиС" Петр Карпов: "Когда коллеги из Словении открыли скрытое состояние вещества, недостижимое при обычных (термодинамических) фазовых переходах, посыпался вал статей в различных журналах. Правда, большинство этих работ были экспериментальными, а теория отставала. То есть, состояние смогли получить во многих лабораториях, но почему получается именно оно, каковы механизмы его образования, какова вообще его природа, – оставалось непонятным. Почему после возбуждения система не возвращается в своё исходное состояние, а продолжает оставаться в изменённом виде неограниченно долго? В данной статье мы как раз пытались найти теоретическое обоснование происходящих процессов". 

© Фото : пресс-служба НИТУ "МИСиС"

Работа ученых НИТУ "МИСиС" состояла в построении универсальной теоретической модели, которая смогла бы описать наиболее важное свойство новых состояний: образование и преобразование наноструктурной мозаики.

После обработки электрическими импульсами в образце слоистого дисульфида тантала часть атомов металла вылетает из решетки, из-за чего формируются дефекты – заряженные вакансии электронного кристалла. Но вместо того, чтобы максимально дистанцироваться друг от друга, заряды "размазываются" по линейным цепочкам атомов тантала, образующим границы зон с разным состоянием атомов тантала – доменов, а затем эти цепочки вообще связываются в некую глобальную сеть. Именно манипуляции этой наносетью отвечают за эффекты переключения и памяти.

"Мы пытались выяснить, почему одноименные заряды в такой структуре не отталкиваются, а притягиваются друг к другу. Оказалось, этот процесс энергетически выгоднее, чем максимальное удаление положительных зарядов друг от друга, потому что при образовании дробно заряженных доменных стенок минимизируется заряд на каждом из составляющих стенку атомов, из-за чего доменная система и становится более стабильной, что полностью подтвердил эксперимент. И в такое состояние с мозаикой доменов и глобулами разделяющих их стенок можно перевести весь кристалл", — говорит Петр Карпов.

По словам ученых, благодаря разработанной теории можно утверждать, что доменное состояние дисульфида тантала действительно можно использовать для долговременного хранения и сверхбыстрой работы с информацией.