Onderzoekers hebben een geavanceerd model gebruikt om in ongekend detail de werking van "weerstand-schakelende cellen" te simuleren die het conventionele geheugen voor elektronische toepassingen zouden kunnen vervangen. met het potentieel om sneller computergeheugen met een hogere capaciteit te brengen terwijl het minder energie verbruikt.

Deze elektromechanische "metallisatiecellen" schakelen snel over van hoge weerstand naar lage weerstand - een tweestatenbewerking die kan worden gebruikt om de enen en nullen in de binaire code weer te geven die nodig is om softwareopdrachten uit te voeren en informatie op te slaan in computers.

Onderzoekers van Purdue University ontwikkelden een nieuwe methode om de elektrochemische processen die de operatie bepalen met atomistische details te simuleren. De onderzoekers gebruikten het model om de prestaties te simuleren van een type weerstandschakelende cellen, ook wel geleidende overbruggingscellen genoemd.

"Ondanks hun belang, de mechanismen die hun opmerkelijke eigenschappen bepalen, zijn slecht begrepen, het beperken van ons vermogen om de uiteindelijke prestaties en het potentieel voor commercialisering te beoordelen, " zei Alejandro Strachan, een professor in materiaalkunde aan de Purdue. "Nutsvoorzieningen, een mechanisch begrip op atomair niveau van het schakelproces biedt nieuwe richtlijnen voor materiaaloptimalisatie."

De weerstand-schakelende cellen worden beschouwd als een mogelijke vervanging voor het huidige niet-vluchtige geheugen, die zijn technologische grenzen bereikt en ook voor logische toepassingen kan worden gebruikt. De geleidende overbruggingscellen kunnen in een kwestie van nanoseconden schakelen - waardoor ze mogelijk ultrasnel kunnen werken - en ze zijn extreem klein, mogelijk waardoor compacter, krachtig computergeheugen, zei Strachan.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die deze week in het tijdschrift verschijnt Natuurmaterialen . Het artikel is geschreven door Purdue, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Nicolas Onofrio, afgestudeerde student David Guzman en Strachan.

De apparaten bevatten twee metalen elektroden gescheiden door een diëlektricum, of isolatiemateriaal. Als een spanning wordt toegepast, de actieve elektrode - in dit geval van koper - lost op in het diëlektricum en de ionen beginnen te bewegen naar de inactieve elektrode. Deze ionen vormen uiteindelijk een geleidend filament dat de twee elektroden verbindt, het verminderen van de elektrische weerstand. Wanneer de spanning wordt omgekeerd, de filamenten breken, terugschakelen naar de toestand met hoge weerstand. Een geanimeerde gif in deze video toont de actie:

De onderzoekers konden voor het eerst simuleren wat er gebeurt op de werkelijke nanoschaalgrootte en tijdregimes van de apparaten, wat nieuwe informatie oplevert over hoe de filamenten zich vormen en breken. Bevindingen bieden nieuwe inzichten in de elektrochemische reacties die leiden tot de vorming van de filamenten en hun uiteenvallen, het voorspellen van de ultrasnelle werking waargenomen in eerdere experimenten met grotere apparaten, met schakelen zo snel als een paar nanoseconden.

De opkomst van dergelijke geavanceerde simulaties maakt het mogelijk om het precieze gedrag en de prestaties van nieuwe apparaten te voorspellen voordat ze zijn gebouwd, een doel van het Materials Genome Initiative, opgericht in 2011.

"Het doel van de MGI is om te ontdekken, twee keer zo snel materialen ontwikkelen en inzetten voor de helft van de kosten, "Zei Strachan. "Nu duurt het 20 jaar vanaf het moment dat we een materiaal in een laboratorium ontdekken totdat we het in een product stoppen, en dat is te lang. We voorzien dat de komende decennia een revolutie zullen doormaken met de integratie van simulatie en experimenten op meerdere schalen, wat zal leiden tot dramatische prestatieverbeteringen en vermindering van ontwikkelingskosten en -tijd."

Het onderzoek is gebaseerd op het Birck Nanotechnology Centre in Purdue's Discovery Park en is aangesloten bij het Network for Computational Nanotechnology, het Center for Predictive Materials and Devices (c-PRIMED) en nanoHUB. De simulaties worden uitgevoerd met behulp van supercomputers via Information Technology bij Purdue's (ITaP) research computing-divisie.

Dit werk werd ondersteund door het FAME Center, een van de zes centra van STARnet, een Semiconductor Research Corporation-programma gesponsord door MARCO en DARPA en door de National Nuclear Security Administration van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Toekomstig werk omvat onderzoek om betere materialen voor de apparaten te vinden.