In experimenten in twee nationale laboratoria van het Department of Energy - SLAC National Accelerator Laboratory en Lawrence Berkeley National Laboratory - hebben wetenschappers van Hewlett Packard Enterprise (HPE) experimenteel kritieke aspecten bevestigd van hoe een nieuw type micro-elektronisch apparaat, de memristor, werkt op atomaire schaal.

Dit resultaat is een belangrijke stap in het ontwerpen van deze solid-state apparaten voor gebruik in toekomstige computergeheugens die veel sneller werken, gaan langer mee en verbruiken minder energie dan het huidige flashgeheugen. De resultaten zijn in februari gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

"We hebben dergelijke informatie nodig om memristors te kunnen ontwerpen die commercieel succesvol zijn, " zei Suhas Kumar, een HPE-wetenschapper en eerste auteur van de technische paper van de groep.

De memristor werd in 1971 theoretisch voorgesteld als het vierde elementaire elektrische apparaatelement naast de weerstand, condensator en spoel. In het hart bevindt zich een klein stukje van een overgangsmetaaloxide, ingeklemd tussen twee elektroden. Het toepassen van een positieve of negatieve spanningspuls verhoogt of verlaagt de elektrische weerstand van de memristor aanzienlijk. Dit gedrag maakt het geschikt voor gebruik als een "niet-vluchtig" computergeheugen dat, zoals flashgeheugen, kan zijn staat behouden zonder te worden ververst met extra vermogen.

In het afgelopen decennium is een HPE-groep onder leiding van senior collega R. Stanley Williams heeft memristorontwerpen onderzocht, materialen en gedrag in detail. Sinds 2009 gebruiken ze intense synchrotron-röntgenstralen om de bewegingen van atomen in memristors tijdens het schakelen te onthullen. Ondanks vooruitgang in het begrijpen van de aard van deze omschakeling, kritische details die belangrijk zouden zijn bij het ontwerpen van commercieel succesvolle circuits bleven controversieel. Bijvoorbeeld, de krachten die de atomen bewegen, wat resulteert in dramatische weerstandsveranderingen tijdens het schakelen, ter discussie blijven.

In recente jaren, de groep onderzocht memristors gemaakt met oxiden van titanium, tantaal en vanadium. Uit de eerste experimenten bleek dat het schakelen in de tantaaloxide-apparaten het gemakkelijkst kon worden gecontroleerd, daarom werd het gekozen voor verder onderzoek bij twee DOE Office of Science User Facilities - SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) en Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS).

Bij ALS, de HPE-onderzoekers brachten de posities van zuurstofatomen voor en na het wisselen in kaart. Voor deze, ze gebruikten een scanning-transmissie-röntgenmicroscoop en een apparaat dat ze bouwden om de positie van hun monster en de timing en intensiteit van de 500-elektronvolt ALS-röntgenstralen nauwkeurig te regelen, die waren afgestemd om zuurstof te zien.

De experimenten toonden aan dat zelfs zwakke spanningspulsen een dun geleidend pad door de memristor creëren. Tijdens de puls warmt het pad op, die een kracht creëert die zuurstofatomen wegduwt van het pad, waardoor het nog meer geleidend is. Door de spanningspuls om te keren, wordt de memristor gereset door wat zuurstofatomen terug in het geleidende pad te zuigen, waardoor de weerstand van het apparaat toeneemt. De weerstand van de memristor verandert tussen het 10-voudige en 1 miljoen-voudige, afhankelijk van bedrijfsparameters zoals de spanning-pulsamplitude. Deze weerstandsverandering is dramatisch genoeg om commercieel te exploiteren.

Om zeker te zijn van hun conclusie, de onderzoekers moesten ook begrijpen of de tantaalatomen tijdens het schakelen met de zuurstof meebewogen. Voor beeldvorming van tantaal was een hogere energie nodig, 10, 000-elektronvolt röntgenstralen, die ze verkregen bij SSRL's Beam Line 6-2. In een enkele sessie daar, ze stelden vast dat het tantaal stationair bleef.

"Dat bezegelde de deal, ons overtuigen dat onze hypothese juist was, " zei HPE-wetenschapper Catherine Graves, die bij SSRL had gewerkt als een afgestudeerde student aan Stanford. Ze voegde eraan toe dat discussies met SLAC-experts van cruciaal belang waren om het HPE-team naar de röntgentechnieken te leiden waarmee ze het tantaal nauwkeurig konden zien.

Kumar zei dat het meest veelbelovende aspect van de tantaaloxide-resultaten was dat de wetenschappers geen verslechtering zagen bij het omschakelen van meer dan een miljard spanningspulsen van een grootte die geschikt is voor commercieel gebruik. Hij voegde eraan toe dat deze kennis zijn groep hielp bij het bouwen van memristors die bijna een miljard schakelcycli duurden, ongeveer een duizendvoudige verbetering.

"Dit is veel langer uithoudingsvermogen dan mogelijk is met de huidige flash-geheugenapparaten, " zei Kumar. "Bovendien, we gebruikten ook veel hogere spanningspulsen om memristorstoringen te versnellen en te observeren, wat ook belangrijk is om te begrijpen hoe deze apparaten werken. Storingen deden zich voor toen zuurstofatomen zo ver weg werden geduwd dat ze niet terugkeerden naar hun oorspronkelijke posities."

Naast geheugenchips, Kumar zegt dat de snelle schakelsnelheid en het kleine formaat van memristors ze geschikt kunnen maken voor gebruik in logische circuits. Aanvullende memristorkenmerken kunnen ook gunstig zijn in de opkomende klasse van door de hersenen geïnspireerde neuromorfische computercircuits.

"Transistors zijn groot en omvangrijk in vergelijking met memristors, " zei hij. "Memristors zijn ook veel beter geschikt voor het creëren van de neuronachtige spanningspieken die kenmerkend zijn voor neuromorfe circuits."