Uma equipe de cientistas da Escola de Ciências Moleculares da Universidade do Estado do Arizona e da Alemanha publicou em Avanços da Ciência online hoje uma explicação de como um determinado material de memória de mudança de fase (PCM) pode funcionar mil vezes mais rápido do que a memória flash de computador atual, embora seja significativamente mais durável em relação ao número de leituras e gravações diárias.

PCMs são uma forma de memória de acesso aleatório (RAM) de computador que armazena dados alterando o estado da matéria dos "bits", (milhões dos quais constituem o dispositivo) entre o líquido, estados de vidro e cristal. A tecnologia PCM tem o potencial de fornecer baixo custo, alta velocidade, alta densidade, volume alto, armazenamento não volátil em uma escala sem precedentes.

A ideia e o material básicos foram inventados por Stanford Ovshinsky, muito tempo atras, em 1975, mas as aplicações demoraram devido à falta de clareza sobre como o material pode executar as mudanças de fase em escalas de tempo tão curtas e problemas técnicos relacionados ao controle das mudanças com a precisão necessária. Agora, empresas de alta tecnologia como a Samsung, A IBM e a Intel estão correndo para aperfeiçoá-lo.

O material semimetálico em estudo é uma liga de germânio, antimônio e telúrio na proporção de 1:2:4. Neste trabalho, a equipe investiga a dinâmica microscópica no estado líquido deste PCM usando espalhamento quase elástico de nêutrons (QENS) em busca de pistas sobre o que pode tornar as mudanças de fase tão nítidas e reproduzíveis.

No comando, a estrutura de cada bit microscópico deste material PCM pode ser feita para mudar de vidro para cristal ou de cristal para vidro (através do intermediário líquido) na escala de tempo de um milésimo de milionésimo de segundo apenas por um calor controlado ou pulso de luz, o primeiro agora é o preferido. Na fase amorfa ou desordenada, o material tem alta resistência elétrica, o estado "desligado"; na fase cristalina ou ordenada, sua resistência é reduzida 1000 vezes ou mais para dar o estado "ligado".

Esses elementos são dispostos em camadas bidimensionais entre eletrodos de ativação, que pode ser empilhado para fornecer uma matriz tridimensional com densidade de local particularmente alta, tornando possível para o dispositivo PCM funcionar muitas vezes mais rápido do que a memória flash convencional, enquanto usa menos energia.

“As fases amorfas deste tipo de material podem ser consideradas como 'vidros semimetálicos', "explica Shuai Wei, que na época estava conduzindo uma pesquisa de pós-doutorado no laboratório da professora Austen Angell da SMS Regents, como recebedor da bolsa de estudos da Fundação Humboldt.

“Ao contrário da estratégia na área de pesquisa de“ vidros metálicos ”, onde as pessoas se esforçaram durante décadas para desacelerar a cristalização a fim de obter o vidro a granel, aqui queremos que os vidros semimetálicos cristalizem o mais rápido possível no líquido, mas para permanecer o mais estável possível quando no estado de vidro. Acho que agora temos um novo entendimento promissor de como isso é alcançado nos PCMs em estudo. "

Um desvio do esperado

Mais de um século atrás, Einstein escreveu em seu Ph.D. tese de que a difusão de partículas submetidas ao movimento browniano poderia ser entendida se a força de atrito que retardava o movimento de uma partícula fosse aquela derivada por Stokes para uma bola redonda caindo em um pote de mel. A equação simples:D (difusividade) =kBT / 6 ?? r onde T é a temperatura, ? é a viscosidade e r é o raio da partícula, implica que o produto D? / T deve ser constante conforme T muda, e o surpreendente é que isso parece ser verdade não apenas para o movimento browniano, mas também para líquidos moleculares simples, cujo movimento molecular é conhecido por ser qualquer coisa, menos o de uma bola caindo no mel!

"Não temos uma boa explicação de por que funciona tão bem, mesmo no estado super-resfriado altamente viscoso de líquidos moleculares até se aproximar da temperatura de transição vítrea, mas sabemos que existem alguns líquidos interessantes em que falha muito, mesmo acima do ponto de fusão, "observa Angell.

"Um deles é o telúrio líquido, um elemento chave dos materiais PCM. Outra é a água, que é famosa por suas anomalias, e um terceiro é o germânio, um segundo dos três elementos do tipo GST de PCM. Agora estamos adicionando um quarto, o próprio líquido GST .. !!! graças aos estudos de espalhamento de nêutrons propostos e executados por Shuai Wei e seus colegas alemães, Zach Evenson (Universidade Técnica de Munique, Alemanha) e Moritz Stolpe (Universidade Saarland, Alemanha) em amostras preparadas por Shuai com a ajuda de Pierre Lucas (Universidade do Arizona). "

Outra característica em comum para este pequeno grupo de líquidos é a existência de um máximo na densidade do líquido que é famoso pelo caso da água. Um máximo de densidade seguido de perto, durante o resfriamento, por uma transição de metal para semicondutor também é vista no estado líquido estável do telureto de arsênio, (As2Te3), que é primo-irmão do componente de telureto de antimônio (Sb2Te3) dos PCMs, todos na linha "Ovshinsky" conectando telureto de antimônio (Sb2Te3) ao telureto de germânio (GeTe) no diagrama de fase de três componentes. Será que a física subjacente a esses líquidos tem uma base comum?

É a sugestão de Wei e co-autores que, quando o germânio, antimônio e telúrio são misturados na proporção de 1:2:4, (ou outros ao longo da linha "mágica" de Ovshinsky), os máximos de densidade e as transições de metal para não-metal associadas são empurrados abaixo do ponto de fusão e, concomitantemente, a transição torna-se muito mais nítida do que em outras misturas de calcogeneto.

Então, como no caso muito estudado da água super-resfriada, as flutuações associadas aos extremos da função de resposta devem dar origem a uma cinética de cristalização extremamente rápida. Em todos os casos, o estado de alta temperatura (agora o estado metálico), é o mais denso.

"Isso explicaria muito, "entusiasma Angell" Acima da transição o líquido é muito fluido e a cristalização é extremamente rápida, enquanto abaixo da transição, o líquido endurece rapidamente e retém o amorfo, estado de baixa condutividade até a temperatura ambiente. Em "bits" nanoscópicos, ele então permanece indefinidamente estável até que seja instruído por um pulso de calor programado por computador para subir instantaneamente a uma temperatura onde, em uma escala de tempo de nanossegundos, ele se cristaliza no estado de condução, o estado "ligado".

Lindsay Greer, da Universidade de Cambridge, apresentou o mesmo argumento formulado em termos de uma transição líquida de "frágil para forte".

Um segundo pulso de calor ligeiramente maior pode levar a "broca" instantaneamente acima de seu ponto de fusão e, em seguida, sem entrada de calor adicional e contato próximo com um substrato frio, ele se extingue a uma taxa suficiente para evitar a cristalização e fica preso no estado semicondutor, o estado "desligado".

"A alta resolução do espectrômetro de tempo de nêutron de vôo da Universidade Técnica de Munique foi necessária para ver os detalhes dos movimentos atômicos. O espalhamento de nêutrons no Heinz Maier-Leibnitz Zentrum em Garching é o método ideal para tornar esses movimentos visíveis, "afirma Zach Evenson.