У діоксиду ванадію науковці виявили раніше невідомий ефект “пам’яті”. При переході між ізолятором до провідника матеріал “запам’ятовує” попередні подразники та відповідно коригує швидкість своїх реакцій. На відміну від звичайних напівпровідників, це пов’язано не з електронним збудженням, а зі зміною склоподібних конфігурацій, повідомляють фізики в журналі “Nature Electronics”. Це перший матеріал, котрий продемонстрував таку пам’ять. Вона може уможливити нові носії даних та нейронні мережі.
Твердий діоксид ванадію. Зображення: POWERlab / 2022 EPFL
Існує низка матеріалів, котрі змінюють свою провідність, пристосовуючи її до мінливих умов середовища. У напівпровідників це відбувається під впливом світла або електроенергії, у суперпровідників холод зумовлює перехід до майже безопірної провідності. Це переважно пов'язане з тим, що у цих матеріалах змінюються збуджені стани електронів.
Однак існують також тверді тіла, в яких зміни кристалічної структури викликають перехід від ізолятора до провідника. У діамантах, наприклад, це можна спровокувати деформацією згину. Характерним для всіх цих переходів є те, що вони відбуваються при певних порогових значеннях, а швидкість переходу – час реакції – є або фіксованою, або залежить від поточних умов.
Але є матеріал, для якого це працює не так, виявили Мохаммад Самізадех Ніку (Mohammad Samizadeh Nikoo) з Лозаннського політехнічного університету і його колеги. У своєму дослідженні вчені хотіли виміряти, як діоксид ванадію (VO2) реагуватиме на різні струмові стимули. Струм проходить через матеріал, нагріваючи його до порогового значення близько 68 градусів, при цьому діоксид ванадію перетворюється з ізолятора на провідник. Як тільки імпульс струму припиняється, матеріал охолоджується і повертається до початкового стану.
Однак науковців здивувало те, що матеріал, всупереч очікуванням, не завжди реагував на подразники з однаковою швидкістю – навіть на ідентичні імпульси струму. Найперший перехід був відносно повільним; у першому тесті, наприклад, інкубаційний період тривав 1,4 мікросекунди. Але в наступних переходах він зменшувався до однієї десятої мілісекунди.
Різниця між першим і другим імпульсом визначає, наскільки зменшився інкубаційний період. “Історія минулих переходів визначає рівень енергетичного бар'єра для майбутніх, – пояснили дослідники. – Що вища частота і кількість перемикань, то нижчим був бар'єр”.
Інакше кажучи: “Діоксид ванадію, схоже, пам'ятає перший фазовий перехід і передбачає наступний, – сказала колега Ніку Елісон Матіолі (Elison Matioli). – Ми не очікували такого ефекту пам'яті”. Матеріал зберігав “вивчений” час реакції на початкові стимули до трьох годин.
“Але ефект пам'яті може тривати й кілька днів – у нас просто поки немає приладів, які б дали змогу так довго здійснювати вимірювання”, – сказала Матіолі. Також дивовижно: “пам'ять” діоксиду ванадію не залежить від того, в якому вигляді матеріал нагрівають до змінної температури – навіть звичайні теплові імпульси без протікання електричного струму викликали “вивчений ефект” матеріалу.
“Це доводить: чи електрони, чи іони – не відіграє жодної ролі для ефекті пам'яті, тому що під час термічно керованих переходів у матеріалі струм не протікав, –повідомили дослідники. – Тобто ми спостерігаємо загальний ефект, що не ґрунтується на електричному збудженні”.
“Це абсолютно нове явище, жоден інший матеріал так не поводиться”, – каже Матіолі. Але як таке “кондиціонування” відбувається в діоксиді ванадію? Наступні експерименти засвідчили: навіть збудження атомів лазерним світлом або зміна металу з'єднаних електродів не впливали на ефект пам'яті.
“Виявляється, це пов'язано не з електронними станами, а радше зі структурою матеріалу”, – пояснює фізик. Здатність діоксиду ванадію пристосовувати свою швидкість перемикання до подразників зумовлена змінами у його внутрішній конфігурації, виявили дослідники. “Такі повільні склоподібні зміни конфігурації обумовлені довжиною зв'язків, порожнинами або навіть довготривалими металевими доменами матеріалу”, –кажуть учені. Це відрізняє діоксид ванадію від звичайних напівпровідників, реакція яких у цифрових пристроях зберігання даних, наприклад, залежить від електронних станів.
На думку Ніку та його колег, ефект пам’яті діоксиду ванадію та, ймовірно, інших матеріалів відкриває нові можливості в інноваційній електроніці. “Такі склоподібні функціональні матеріали могли б суттєво перевершити поширену електроніку металевих напівпровідників у швидкості, енергоспоживанні та мініатюрності”, – констатували вчені. Адже, “навчившись”, оксид ванадію перемикається менш ніж за наносекунду і практично не потребує енергії.
Матеріали з пам'яттю можна використовувати, наприклад, як нові види високопродуктивних носіїв інформації, в яких біти зберігаються на декількох рівнях. Також можливе їх використання в штучних нейронних мережах: якщо між вузлами розмістити перемикачі з діоксиду ванадію, то ця система навчатиметься практично самостійно. “У цьому випадку не потрібно розраховувати вагове навантаження і не потрібно його спеціально спричиняти, маніпулюючи резисторами чи чимось подібним”, – розповідає команда. Ефект пам'яті оксиду ванадію бере на себе ці завдання – і в такий спосіб робить нейронні мережі більш ефективними та швидкими.
Nadja Podbregar
Material zeigt neuartiges „Gedächtnis“
Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)
Nature Electronics, 25.08.2022, doi: 10.1038/s41928-022-00812-z.
19.09.2022