تکنولوژی نیمه‌رسانای صرفه‌جویی در قدرت میلیارد برابری آمریکا؛ ممکن است چین را به چالش بکشد
تلاش مشترک بین پژوهشگران دانشگاه پنسلوانیا، مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) و مؤسسه علوم هند (IISc) حافظه تغییر فاز (PCM) را بیشتر از نظر انرژی بهره‌ور کرده و می‌تواند در آینده انقلاب جدیدی در ذخیره‌سازی داده‌ها راه‌اندازی کند. PCM یک فناوری ذخیره‌سازی اطلاعات امیدوارکننده است که از فازهای مختلف مواد برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کند. هنگامی که مواد از حالت نامنظم به حالت کریستالی تغییر می‌کنند، به یک کلید روشن/خاموش شبیه می‌شوند، درست مانند سیستم دودویی که امروزه برای ذخیره‌سازی اطلاعات به‌کار می‌رود.
PCM می‌تواند برای ذخیره اطلاعات در دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های همراه و کامپیوترها استفاده شود، اما اعمال تغییر فاز یک فرایند پرانرژی است که تاکنون مانعی برای استفاده در مقیاس بزرگ بوده است.
در کار اخیر منتشر شده توسط همکاری هند-آمریکا، پژوهشگران تغییر فاز را با یک میلیاردم از انرژی که قبلاً برای کار با ماده سلنید ایندیوم (In2Se3) نیاز بود، انجام دادند که بالقوه شروع انقلاب جدیدی در قابلیت‌های ذخیره‌سازی داده‌ها است.
تحول الکتریکی
در فاز نامنظم، اتم‌های ماده به‌صورت تصادفی مرتب می‌شوند. فرایند تغییر ماده به فاز نامنظم آن به نام ناآمورف‌سازی شناخته می‌شود و به‌طور متعارف با ذوب و سریع سرد شدن آن برای جلوگیری از تشکیل کریستال‌ها به‌دست می‌آید.
روش ذوب-سریع سرد در ناآمورف‌سازی پر انرژِی است، اما یک دهه پیش، تیم پژوهشی به رهبری ریتش آگاروال در دانشگاه پنسلوانیا دریافت که پالس‌های الکتریکی می‌توانند به همان نتیجه در آلیاژهای ژرمانیوم، آنتیموان و تلوریم دست یابند.
چند سال پیش، تیم پژوهشی کار خود را به ماده نیم‌هادی سلنید ایندیوم (In2Se3) گسترش دادند. خاصیت فروالکتریک آن اجازه می‌دهد تا به‌طور خودبخودی قطبیده شود، در حالی که خاصیت پیزوالکتریک آن با پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می‌کند که باعث تغییر شکل سریع آن می‌شود.
با این حال، پژوهشگران نیاز داشتند با اطمینان بیشتری درباره چگونگی وقوع این فرایند بدانند.
میکروسکوپی درجا هندی
آگاروال سپس نمونه‌هایی از In2Se3 به پاوان نوکالا، همکار سابق خود در UPenn، که اکنون استاد دستیار در IISc و عضو مرکز علوم و مهندسی نانو (CeNSE) است، ارسال کرد.
تیم نوکالا مجموعه‌ای از ابزارهای میکروسکوپی درجا ساختند که از آن‌ها برای تحلیل دقیق فرآیند ناآمورف‌سازی In2Se3 استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که این فرایند به یک زلزله و یک بهمن شباهت دارد.
هنگامی که جریان الکتریکی از ماده عبور می‌کند، بخش‌های کوچکی به‌اندازه میلیاردی متر شروع به ناآمورف‌سازی می‌کنند. خواص پیزوالکتریک ماده و ساختار لایه‌ای آن بخش‌هایی از In2Se3 را به موقعیت‌های ناپایدار می‌کشد، درست مانند حرکت برف در یک کوه.
در یک نقطه حیاتی، حرکت منجر به گسترش تغییر شکل‌ها می‌شود و هنگامی که نواحی مخفی به هم می‌خورند، امواج صوتی در ماده ایجاد می‌شود. امواج صوتی مانند امواج لرزه‌ای که زمین را در هنگام زلزله می‌لرزانند، باعث تغییر شکل بیشتر و انتقال مناطق جدید ناآمورف‌سازی شده و به یک بهمن می‌انجامند.
شوبهام پارات، دانشجوی دکترا در IISc که در این کار مشارکت داشت، گفت: «دیدن همه این پدیده‌ها که همزمان در مقیاس‌های مختلف طولی تعامل دارند، هیجان‌انگیز است.»
آگاروال در نشر خبری گفت: «این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز طراحی دستگاه‌های حافظه با مصرف انرژی کم باشد.» یافته‌های پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.
