En un artículo publicado en línea hoy en Avances científicos , un equipo de científicos de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona y Alemania ofrecen una explicación de cómo un material de memoria de cambio de fase PCM en particular puede funcionar mil veces más rápido que la memoria flash actual de la computadora, mientras que es significativamente más duradero conrespecto al número de lecturas y escrituras diarias.
Los PCM son una forma de memoria de acceso aleatorio RAM de la computadora que almacena datos al alterar el estado de la materia de los "bits" millones de los cuales forman el dispositivo entre los estados de líquido, vidrio y cristal. La tecnología PCM tieneel potencial para proporcionar almacenamiento no volátil, de alta velocidad, alta densidad, alto volumen y bajo costo en una escala sin precedentes.
La idea básica y el material fueron inventados por Stanford Ovshinsky en 1975, pero las aplicaciones se han demorado debido a la falta de claridad sobre cómo el material puede ejecutar los cambios de fase en escalas de tiempo tan cortas y problemas técnicos relacionados con el control de los cambios con la precisión necesaria.Ahora las compañías de alta tecnología como Samsung, IBM e Intel están compitiendo para perfeccionarlo.
El material semimetálico en estudio actual es una aleación de germanio, antimonio y teluro en una proporción de 1: 2: 4. En este trabajo, el equipo investiga la dinámica microscópica en el estado líquido de este PCM utilizando dispersión de neutrones cuasi-elásticaQENS para obtener pistas sobre qué podría hacer que los cambios de fase sean tan nítidos y reproducibles.
En el comando, la estructura de cada bit microscópico de este material PCM se puede hacer que cambie de vidrio a cristal o de cristal a vidrio a través del líquido intermedio en la escala de tiempo de una milésima de millonésima de segundo solopor un pulso controlado de calor o luz, ahora se prefiere el primero. En la fase amorfa o desordenada, el material tiene una alta resistencia eléctrica, el estado "apagado"; en la fase cristalina u ordenada, su resistencia se reduce 1,000 veces o más adar el estado "encendido".
Estos elementos están dispuestos en capas bidimensionales entre electrodos de activación, que se pueden apilar para proporcionar una matriz tridimensional con una densidad de sitio activa particularmente alta que hace posible que el dispositivo PCM funcione muchas veces más rápido que la memoria flash convencional, mientras queusando menos energía.
"Las fases amorfas de este tipo de material se pueden considerar como 'gafas semimetálicas'", explicó Shuai Wei, quien en ese momento estaba realizando una investigación postdoctoral en el laboratorio del profesor Regente Austen Angell como receptor de la beca de la Fundación Humboldt.
"Contrariamente a la estrategia en el campo de investigación de los 'vidrios metálicos', donde las personas han hecho esfuerzos durante décadas para reducir la velocidad de la cristalización para obtener el vidrio a granel, aquí queremos que esos vidrios semimetálicos cristalicen lo más rápido posible enel líquido, pero para mantenerse lo más estable posible en estado de vidrio. Creo que ahora tenemos una nueva y prometedora comprensión de cómo se logra esto en los PCM en estudio ".
Una desviación de lo esperado
Hace más de un siglo, Einstein escribió en su tesis doctoral que la difusión de partículas que experimentan movimiento browniano podría entenderse si la fuerza de fricción que retrasa el movimiento de una partícula fue la derivada por Stokes de una bola redonda que cae a través de un tarro de miel.La ecuación simple :
D difusividad = kBT / 6πηr
donde T es la temperatura, η es la viscosidad yr es el radio de la partícula, implica que el producto Dη / T debe ser constante a medida que T cambia, y lo sorprendente es que esto parece ser cierto no solo para el movimiento browniano,pero también para líquidos moleculares simples cuyo movimiento molecular se sabe que es cualquier cosa menos el de una bola que cae a través de la miel.
"No tenemos una buena explicación de por qué funciona tan bien, incluso en el estado altamente refrigerado de líquidos moleculares hasta que se acerca a la temperatura de transición vítrea, pero sí sabemos que hay algunos líquidos interesantes en los que fallamal incluso por encima del punto de fusión ", dijo Angell.
"Uno de ellos es telurio líquido, un elemento clave de los materiales PCM. Otro es el agua que es famosa por sus anomalías, y un tercero es germanio, un segundo de los tres elementos del tipo GST de PCM. Ahora estamosañadiendo un cuarto, el líquido GST en sí mismo. Gracias a los estudios de dispersión de neutrones propuestos y ejecutados por Shuai Wei y sus colegas alemanes, Zach Evenson de la Universidad Técnica de Munich y Moritz Stolpe de la Universidad de Saarland en muestras preparadas por Shuai con la ayuda de PierreLucas de la Universidad de Arizona "
Otra característica en común para este pequeño grupo de líquidos es la existencia de una densidad máxima en líquido que es famosa por el caso del agua. También se observa una densidad máxima seguida de cerca durante el enfriamiento por una transición de metal a semiconductorEl estado líquido estable del telururo de arsénico As2Te3, que es primo hermano del componente de telururo de antimonio Sb2Te3 de los PCM. Todos estos se encuentran en la línea "Ovshinsky" que conecta el telururo de antimonio Sb2Te3 al telururo de germanio GeTe enel diagrama de fase de tres componentes.
Wei y sus coautores sugieren que cuando el germanio, el antimonio y el teluro se mezclan en la proporción de 1: 2: 4, u otros a lo largo de la línea "mágica" de Ovshinsky, tanto la densidad máxima como el metal asociadolas transiciones a no metales se empujan por debajo del punto de fusión y, concomitantemente, la transición se vuelve mucho más nítida que en otras mezclas de calcogenuros.
Entonces, como en el caso muy estudiado del agua sobreenfriada, las fluctuaciones asociadas con la función de respuesta extrema deberían dar lugar a una cinética de cristalización extremadamente rápida. En todos los casos, el estado de alta temperatura, ahora el estado metálico, es el más denso.
"Esto explicaría mucho", dijo Angell. "Por encima de la transición, el líquido es muy fluido y la cristalización es extremadamente rápida, mientras que debajo de la transición, el líquido se endurece rápidamente y retiene el estado amorfo de baja conductividad a temperatura ambiente. "En 'bits' nanoscópicos, entonces permanece indefinidamente estable hasta que un pulso de calor programado por computadora le indica que aumente instantáneamente a una temperatura en la que, en una escala de tiempo de nanosegundos, cristaliza instantáneamente en el estado conductor, el estado" encendido ".
Lindsay Greer, de la Universidad de Cambridge, ha formulado el mismo argumento, expresado en términos de una transición líquida "frágil a fuerte".
Un segundo pulso de calor ligeramente más grande puede tomar el "bit" instantáneamente por encima de su punto de fusión y luego, sin más entrada de calor y contacto cercano con un sustrato frío, se apaga a una velocidad suficiente para evitar la cristalización y queda atrapado en elestado semiconductor, el estado "apagado".
"La alta resolución del espectrómetro de tiempo de vuelo de neutrones de la Universidad Técnica de Munich fue necesaria para ver los detalles de los movimientos atómicos. La dispersión de neutrones en el Heinz Maier-Leibnitz Zentrum en Garching es el método ideal para hacer estosmovimientos visibles ", dijo Evenson.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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