NUST MISIS-wetenschappers hebben ontdekt hoe de latente staatsvorming in gelaagd tantaaldisulfide zich ontwikkelt. De ontdekking heeft toekomstige toepassingen in het computergeheugen.

Professor Petr Karpov en Serguei Brazovskii, beide onderzoekers van NUST MISIS, hebben een theorie ontwikkeld die het mechanisme van de latente staatsvorming in gelaagd tantaaldisulfide verklaart, een van de meest veelbelovende materialen voor moderne micro-elektronica. De latente toestand van materie werd in 2014 ontdekt door Serguei Brazovskii met een groep onderzoekers uit Slovenië. het tantaaldisulfidemonster, die minder dan 100 nanometer was, werd belicht door een ultrakorte laser. Via pulsen in het bestraalde gebied, het monster zou kunnen worden omgeschakeld naar een geleider van diëlektrica en terug naar zijn oorspronkelijke staat. De omschakeling vond plaats in slechts één picoseconde - een veel snellere snelheid dan bij de 'snelste' materialen die als opslagmedium in moderne computers worden gebruikt. Die toestand hield aan na blootstelling. Overeenkomstig, het materiaal is een potentiële kandidaat geworden voor de basis van de volgende generatie informatiedragers.

Professor Petr Karpov, ingenieur bij de NUST MISIS-afdeling voor theoretische fysica en kwantumtechnologieën, zei:"De hausse in de studie van gelaagd tantaaldisulfide vond plaats nadat onze collega's uit Slovenië de latente staat ontdekten, onbereikbaar in conventionele (thermodynamische) faseovergangen. Echter, de meeste van deze werken waren experimenteel, en de theorie bleef achter. Wat waren de mechanismen van de latente toestandsvorming? De aard ervan bleef onduidelijk. Waarom keert het systeem niet terug naar zijn oorspronkelijke staat, voor onbepaalde tijd in gewijzigde vorm blijven? In dit artikel, we hebben geprobeerd de theoretische rechtvaardiging van de optredende processen te vinden."

Tantaaldisulfide behoort tot een speciale groep geleidermaterialen waarin zogenaamde ladingsdichtheidsgolven worden gevormd. Dit betekent dat naast de natuurlijke pieken van elektronendichtheid veroorzaakt door de aanwezigheid van een atoom, er is ook een andere periodiciteit die meerdere malen groter is dan de afstand tussen de aangrenzende atomen van het kristalrooster. In dit geval, de mate van die periodiciteit is de wortel van 13, er zit dus best een groot verschil in.

Afbeelding A toont een laag tantaalatomen. De periode tussen de "superpieken" is gemarkeerd met een rode pijl. De toestand van de plaatsen in de tantaaldisulfidelaag verschilt van elkaar doordat de maximale elektronendichtheid gecentreerd is op tantaalatomen. De rode tonen één staat, terwijl de blauwe en witte andere staten tonen.

Het werk van wetenschappers van NUST MISIS bestond uit het construeren en bestuderen van een universeel theoretisch model dat de belangrijkste eigenschap van de nieuw ontdekte staat zou kunnen beschrijven:de vorming en transformatie van nanostructurele mozaïeken (afb. b). Sommige metaalatomen vliegen uit het rooster na de verwerking van elektrische impulsen in het monster van gelaagd tantaaldisulfide, en dat veroorzaakt defecten - geladen vacatures in het elektronische kristal.

Echter, in plaats van een maximale afstand van elkaar te houden, de ladingen worden uitgesmeerd langs de lineaire ketens van tantaalatomen, vormen grenzen van zones met verschillende toestanden van tantaalatomen. Deze domeinen zijn dan in wezen aan elkaar gekoppeld, aangesloten op een wereldwijd netwerk. Het manipuleren van deze nanosets is de reden voor de schakel- en geheugeneffecten die in het materiaal worden waargenomen.

"We hebben geprobeerd uit te zoeken waarom soortgelijke ladingen in zo'n structuur niet afstoten, maar, in feite, worden tot elkaar aangetrokken. Het bleek dat dit proces energetisch winstgevender is dan het maximaal verwijderen van positieve ladingen van elkaar, omdat de vorming van fractioneel geladen domeinwanden de lading van de samenstellende wand van atomen minimaliseert, daarom wordt het domeinsysteem stabieler. Dit wordt volledig bevestigd door het experiment, en het hele kristal kan in zo'n staat worden gebracht met een domeinmozaïek en bolletjes die de muren verdelen, ", voegde Petr Karpov eraan toe.

Dankzij de ontwikkeling van deze theorie, het is mogelijk om te bevestigen dat de domeintoestand van tantaaldisulfide kan worden gebruikt voor langdurige opslag en supersnelle werking van informatie. Een artikel met de onderzoeksresultaten is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .