Ученые Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии обнаружили, что диоксид ванадия VO2, который используется в электронике, способен «запоминать» воздействие на него электрическим током, изменяя свою структуру. Это первый известный материал, который обладает энергоэффективной памятью, однако могут существовать и другие. Открытие, о котором подробно рассказывается в статье, опубликованной в журнале Nature Electronics, может помочь разработке миниатюрных вычислительных устройств с принципиально новой архитектурой, например, имитирующей мозг.
Известно, что в диоксиде ванадия при увеличении температуры с комнатной до 68 градусов Цельсия происходит резкий фазовый переход от изолятора к металлу из-за изменения в структуре решетки. Если температуру вновь понизить, то материал сразу возвращается обратно в изолирующее состояние. Устройства, которые основаны на таком переходе, имели бы энергозависимую память. Однако исследователи, изучая время отклика на возбуждение VO2 электрическими импульсами, обнаружили, что в материале могут происходить перестройки, сохраняющиеся даже после воздействия.
Мохаммад Самизаде Нику (Mohammad Samizadeh Nikoo), ведущий автор исследования, и его коллеги в ходе экспериментов подавали на образец диоксида ванадия электрический ток, который нагревал материал по пути следования, пока не выходил на другой стороне образца. Во время нагревания в VO2 происходили фазовые переходы, однако после первого электрического импульса материал вернулся в исходное состояние.
Однако при подаче повторных импульсов электрического тока выяснилось, что время инкубации, то есть то время, которое уходит на трансформацию изолятора в проводник, зависит от истории предыдущих фазовых переходов. Если при первом переходе время инкубации составило приблизительно 1,4 микросекунды, то при втором переходе оно снижалось в десять раз. Это изменение сохранялось на протяжении приблизительно трех часов. При этом структура диоксида ванадия на пути следования тока приобретала стеклоподобные особенности.
Двухполюсник из оксида ванадия длиной 50 нанометров может переходить в новое состояние при субнаносекундном импульсе электрического тока при потреблении энергии всего 100 фемтоджоулей. Авторы пишут, что такие стеклоподобные устройства могут превзойти обычную электронику на основе традиционных структур «металл — оксид — полупроводник» с точки зрения скорости, энергопотребления и миниатюризации, а также обеспечить путь к нейроморфным вычислениям и многоуровневой памяти.