Nieuwe foto-ferro-elektrische materialen maken het mogelijk om informatie op een niet-vluchtige manier op te slaan met behulp van lichtstimulans. Het idee is om energiezuinige geheugenapparaten te maken met hoge prestaties en veelzijdigheid om de huidige uitdagingen het hoofd te bieden. De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie door Josep Fontcuberta en collega's en opent de weg naar verder onderzoek naar dit fenomeen en naar neuromorfische computertoepassingen.

Kun je je voorstellen de eigenschappen van een materiaal te beheersen door er gewoon licht op te laten schijnen? We zijn gewend om te zien dat de temperatuur van materialen toeneemt bij blootstelling aan de zon. Maar licht kan ook subtielere effecten hebben. Inderdaad, lichtfotonen kunnen paren van vrije ladingsdragers creëren in anders isolerende materialen. Dit is het basisprincipe van de fotovoltaïsche panelen die we gebruiken om elektrische energie uit de zon te halen.

In een nieuwe wending, een door licht veroorzaakte verandering van materiaaleigenschappen kan worden gebruikt in geheugenapparaten, waardoor een efficiëntere opslag van informatie en snellere toegang en computergebruik mogelijk wordt. Dit, in feite, is een van de huidige uitdagingen van onze samenleving:het kunnen ontwikkelen van hoogwaardige, in de handel verkrijgbare elektronische apparaten die, tegelijkertijd, energiezuinig. Kleinere elektronische apparaten met een lager energieverbruik en hoge prestaties en veelzijdigheid zijn het doel.

Niet-vluchtige geheugenopslag

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de groep Multifunctional Thin Films and Complex Structures (MULFOX) van ICMAB hebben fotoresponsieve ferro-elektrische materialen bestudeerd die zijn geïntegreerd in apparaten die gebruikmaken van nanotechnologieën en kwantumeffecten. Geheugenelementen zijn ontworpen om niet-vluchtige informatie op te slaan in verschillende weerstandstoestanden (AAN/UIT). Er is ontdekt dat, wanneer goed ontworpen, hun elektrische weerstand kan worden gemoduleerd door gepulseerd licht. Dit betekent dat ze kunnen overschakelen van een toestand met lage weerstand naar een toestand met hoge weerstand door alleen lichtpulsen toe te passen.

"Materialen die weerstandsveranderingen vertonen onder verlichting zijn er in overvloed, hoewel het effect doorgaans vluchtig is en het materiaal na enige tijd in zijn oorspronkelijke staat terugkeert, " zegt ICMAB-onderzoeker Ignasi Fina, co-auteur van de studie. "Voor apparaten die worden gebruikt voor computers en gegevensopslag, niet-vluchtige optische controle van elektrische weerstand is van potentieel belang, " en voegt toe "voor niet-vluchtige, we bedoelen dat de informatie kan worden bewaard en opgeslagen in het apparaat, zelfs als de stroom is uitgeschakeld."

Twee-in-één:foto-ferro-elektrische materialen

Momenteel zijn er twee verschillende apparaten nodig om optische signalen te gebruiken voor niet-vluchtige gegevensopslag:een opto-elektronische sensor en een geheugenapparaat. De ICMAB-studie combineert deze eigenschappen in één enkel materiaal dat zijn weerstand kan moduleren door gepulseerd licht:een foto-ferro-elektrisch materiaal.

Ferro-elektrische materialen hebben elektrisch schakelbare spontane niet-vluchtige elektrische polarisatie. In ferro-elektrische ultradunne films van dergelijk materiaal ingeklemd tussen geschikte metalen, er verschijnt een kwantummechanisch fenomeen dat de tunnelstroom wordt genoemd. Dit effect laat een laadstroom door de ferro-elektrische laag vloeien, die echt isolerend is, in een hoeveelheid die afhangt van de richting van de polarisatie.

Bij de apparaten in kwestie eerst wordt een elektrisch veld eenmaal gebruikt om de AAN/UIT-statussen te schrijven, en het wordt gecombineerd met de optische stimulus om de AAN / UIT-toestandsverandering te bevorderen, en omkeerbaar de weerstand moduleren (van hoog naar laag, en vice versa).

Energiezuinige apparaten en toepassingen

Deze apparaten zijn om twee hoofdredenen energiezuinig:ten eerste, het energieverbruik wordt verminderd wanneer de geheugenstatus wordt geschreven, omdat het geen laadstroom nodig heeft. Ten tweede, aangezien de informatie op een niet-vluchtige manier wordt opgeslagen, de status blijft behouden en het is niet nodig om de informatie te vernieuwen (herschrijven), zoals continu wordt gedaan in de huidige RAM-geheugens van alle computers, bijvoorbeeld.

De waargenomen optische schakelaar is niet beperkt tot de bestudeerde materialen en opent dus een weg naar verder onderzoek naar dit fenomeen.

Wat toekomstige toepassingen betreft, Ignasi Fina ziet het volgende voor zich:"De onderzochte apparaten combineren lichtsensor- en geheugenfuncties. zoals blijkt uit de studie, het apparaat gedraagt ​​zich als een memristor. Een memristor is een apparaat dat meerdere weerstandstoestanden kan weergeven op basis van de stimulus die het heeft ontvangen, en is een van de basisapparaten voor de ontwikkeling van neuromorfe computersystemen. Daarom, het ontwikkelde apparaat opent een pad dat moet worden verkend met betrekking tot de integratie ervan in neuromorfe zichtsystemen, waar het systeem afbeeldingen leert herkennen."

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .