Международная группа ученых с участием профессора НИТУ «МИСиС» Сергея Бразовского представила исследования высокослоистого материала дисульфида тантала, которые показали, что его сопротивление можно менять с уникально высокой скоростью, превращая из электрического проводника в изолятор и обратно. Сверхбыстрое «переключение» позволяет использовать материал в новейшей электронике в качестве энергонезависимого элемента памяти нового поколения.
В мае 2016 года в журнале Nature Communications была опубликована статья1 по итогам исследования, являющегося синтезом теоретической работы профессора Сергея Бразовского, выполненной в НИТУ «МИСиС» и Национальном центре научных исследований (CNRS, Франция) и эксперимента, проведенного под руководством профессора Драгана Михайловича в институте Йозефа Стефана в Любляне (Словения).
Профессору Сергею Бразовскому удалось построить теоретическое описание особого скрытого состояния вещества дисульфида тантала, которого данный материал может достигнуть только под влиянием внешних воздействий. Этот уникальное химическое соединение имеет неустойчивую внутреннюю решетку электронов, которая может принципиально меняться за счет внешнего импульса, преобразуя в итоге физические свойства самого материала. Скрытое состояние было экспериментально обнаружено учеными только в 2014 году.
Ученый развил построенную им ранее теорию для описания модели переключения состояний проводник-изолятор. «Мы обнаружили сложный механизм формирования сети заряженных доменных стенок (границ, разделяющих области образца, находящиеся в обычном и скрытом состояниях), которые создаются из-за неустойчивости электронной решетки. Это позволило объяснить наблюдаемый эксперимент: инжектированные заряды (т.е. введенные в образец извне, в данном случае с помощью лазерных импульсов) создают движущиеся доменные стенки, превращая материал из изолятора в металл», — рассказал профессор Сергей Бразовский.
В ходе эксперимента образец дисульфида тантала размером меньше 100 нанометров облучается сверхкороткими лазерными или электрическими импульсами, которые создают сверхкороткие электрические токи и производят переключение состояний проводник-диэлектрик. Таким образом, один и тот же материал при определенном внешнем воздействии может быть проводником электрического тока и его изолятором, причем способен менять эти состояния с огромной скоростью.
Это свойство дисульфида тантала может быть применимо для создания энергонезависимых элементов электронной памяти, которые способны сохранять информацию даже при отключенном источнике электрического питания за счет устойчивости скрытого состояния данного вещества. Проводящее состояние материала при этом шифрует единицу, диэлектрическое — ноль.
Принципиальное отличие инновационной схемы работы элементов памяти от традиционной динамической оперативной памяти (DRAM) — на порядок более высокая скорость записи информации. Ультрабыстрые элементы памяти на основе дисульфида тантала будут способны переключаться управляющим электрическим напряжением за время около одной пикосекунды, что более чем в 10 раз быстрее, чем самые быстрые из существующих аналогов.
1Nature Communications, 7, 11442 (16 May 2016), Fast electronic resistance switching involving hidden charge density wave states, I. Vaskivskyi, I. A. Mihailovic, S. Brazovskii, J. Gospodaric, T. Mertelj, D. Svetin, P. Sutar and D. Mihailovic .
