MIPT-onderzoekers werkten samen met medewerkers voor een succesvolle demonstratie van magneto-elektrisch willekeurig toegankelijk geheugen (MELRAM). Een overgang naar magneto-elektrisch geheugen kan aanzienlijke energiebesparingen opleveren, evenals het onmiddellijk opstarten van apparaten. Hun paper werd gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Werkgeheugen, of RAM-geheugen, is een van de belangrijkste componenten van elke computer of smartphone. Het meest voorkomende type RAM staat bekend als dynamisch willekeurig toegankelijk geheugen, of kortweg DRAM. Het is een halfgeleidergeheugen gebaseerd op een eenvoudig principe. In DRAM, elke geheugencel bestaat uit één condensator en één transistor. De transistor wordt gebruikt om stroom in de condensor toe te laten, waardoor het kan worden opgeladen en ontladen. De elektrische lading van de condensator slaat binaire informatie op, die conventioneel wordt weergegeven als nullen (ongeladen) en enen (geladen).

"RAM-technologie is snel vooruitgegaan, met geheugenmodules die steeds sneller worden. Echter, dit type geheugen heeft één belangrijke beperking die niet kan worden overwonnen:de lage energie-efficiëntie, " zegt hoofdonderzoeker Sergei Nikitov van MIPT. "In dit artikel, presenteren we de magneto-elektrische geheugencel. Het zal het energieverbruik van bits lezen en schrijven met een factor 10 verminderen, 000 of meer."

Een MELRAM-cel bestaat uit twee componenten met opmerkelijke eigenschappen. De eerste is een piëzo-elektrisch materiaal. Piëzo-elektriciteit is een eigenschap van bepaalde materialen die worden vervormd als reactie op aangelegde spanning en, omgekeerd, spanning opwekken onder mechanische belasting. De andere MELRAM-component is een gelaagde structuur die wordt gekenmerkt door een hoge magneto-elasticiteit - de afhankelijkheid van magnetisatie van de elastische spanning. Omdat de structuur anisotroop is, dat wil zeggen, het is anders georganiseerd langs verschillende assen, -het kan worden gemagnetiseerd in twee richtingen die overeenkomen met de logische nul en één in binaire code. In tegenstelling tot dynamisch RAM, magneto-elektrische geheugencellen zijn in staat hun toestand te behouden:ze hoeven niet voortdurend te worden herschreven en verliezen geen informatie wanneer de stroom uitvalt.

"We bouwden een proefstuk van ongeveer een millimeter breed en toonden aan dat het werkt, " zegt Anton Churbanov, een doctoraat student aan de afdeling Fysische en Quantum Elektronica, MIPT. "Het is vermeldenswaard dat de structuren die we gebruikten als basis zouden kunnen dienen voor geheugencellen van nanoformaat, waarvan de afmetingen vergelijkbaar zijn met die van gewone RAM-cellen."

De kern van het onderzoek is een nieuw mechanisme voor het lezen van gegevens, een alternatief bieden voor de geavanceerde magnetische veldsensoren die in eerdere MELRAM-cellen werden gebruikt, die geen gemakkelijke downscaling mogelijk maken. De onderzoekers vonden een eenvoudigere manier om informatie te lezen, waarvoor zulke ingewikkelde regelingen niet nodig zijn. Als er spanning op de geheugencel wordt gezet, de piëzo-elektrische laag van de structuur wordt vervormd. Afhankelijk van de aard van de soort, magnetisatie neemt een bepaalde oriëntatie aan, informatie opslaan. De veranderende oriëntatie van het magnetische veld geeft aanleiding tot een verhoogde spanning in het monster. Door deze spanning te detecteren, de toestand van de geheugencel kan worden bepaald. Maar de leesbewerking kan de magnetisatie beïnvloeden; daarom, het is noodzakelijk om de gelezen waarde opnieuw toe te wijzen aan de geheugencel.

De auteurs van het artikel zeggen dat hun oplossing kan worden verkleind zonder enig nadelig effect op de efficiëntie. Dit maakt MELRAM veelbelovend voor computerhardwaretoepassingen die een laag energieverbruik vereisen.