Un equipo de científicos de la Facultad de Ciencias Moleculares de la Universidad Estatal de Arizona y Alemania ha publicado en Avances de la ciencia en línea hoy 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 de computadora actual, mientras que es significativamente más duradero con respecto al número de lecturas y escrituras diarias.

Los PCM son una forma de memoria de acceso aleatorio (RAM) de computadora que almacena datos alterando el estado de la materia de los "bits", (millones de los cuales componen el dispositivo) entre líquido, estados de vidrio y cristal. La tecnología PCM tiene el potencial de proporcionar alta velocidad, alta densidad, alto volumen, almacenamiento no volátil a una escala sin precedentes.

La idea básica y el material fueron inventados por Stanford Ovshinsky, Hace mucho tiempo, 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 los problemas técnicos relacionados con el control de los cambios con la precisión necesaria. Ahora empresas de alta tecnología como Samsung, IBM e Intel se apresuran a perfeccionarlo.

El material semimetálico en estudio es una aleación de germanio, antimonio y telurio 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 elástica (QENS) en busca de pistas sobre lo que podría hacer que los cambios de fase sean tan nítidos y reproducibles.

Al mando, Se puede hacer que la estructura de cada bit microscópico de este material PCM cambie de vidrio a cristal o de cristal a vidrio (a través del intermedio líquido) en la escala de tiempo de una milésima de millonésima de segundo solo por un calor controlado o pulso de 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 1000 veces o más para dar el estado "encendido".

Estos elementos están dispuestos en capas bidimensionales entre electrodos de activación, que se puede apilar para dar una matriz de tres dimensiones con una densidad de sitio activo particularmente alta, lo que hace posible que el dispositivo PCM funcione muchas veces más rápido que la memoria flash convencional, mientras usa menos energía.

"Las fases amorfas de este tipo de material se pueden considerar como" vidrios semimetálicos ", "explica Shuai Wei, quien en ese momento estaba realizando una investigación postdoctoral en el laboratorio del profesor Austen Angell de SMS Regents, como beneficiario de una beca de la Fundación Humboldt.

"Contrariamente a la estrategia en el campo de investigación de los" vidrios metálicos ", donde la gente ha hecho esfuerzos durante décadas para ralentizar la cristalización con el fin de obtener el vidrio a granel, aquí queremos que esos vidrios semimetálicos cristalicen lo más rápido posible en el líquido, pero para permanecer lo más estable posible cuando esté en estado de vidrio. Creo que ahora tenemos una comprensión nueva y prometedora de cómo se logra esto en los PCM en estudio ".

Una desviación de lo esperado

Hace más de un siglo, Einstein escribió en su Ph.D. La tesis de que la difusión de partículas en movimiento browniano podría entenderse si la fuerza de fricción que retarda el movimiento de una partícula fuera la derivada por Stokes para una bola redonda que cae a través de un tarro de miel. La ecuación simple:D (difusividad) =kBT / 6 ?? r donde T es la temperatura, ? es la viscosidad yr es el radio de la partícula, implica que el producto D? / 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 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 de superenfriamiento altamente viscoso de los líquidos moleculares hasta que se acerque a la temperatura de transición vítrea, pero sabemos que hay algunos líquidos interesantes en los que falla gravemente incluso por encima del punto de fusión, "observa Angell.

"Uno de ellos es el telurio líquido, un elemento clave de los materiales PCM. Otro es el agua que es famosa por sus anomalías, y un tercero es el germanio, un segundo de los tres elementos del tipo GST de PCM. Ahora estamos agregando un cuarto, el propio líquido GST .. !!! gracias a los estudios de dispersión de neutrones propuestos y ejecutados por Shuai Wei y sus colegas alemanes, Zach Evenson (Universidad Técnica de Munich, Alemania) y Moritz Stolpe (Universidad de Saarland, Alemania) en muestras preparadas por Shuai con la ayuda de Pierre Lucas (Universidad de Arizona) ".

Otro rasgo en común de este pequeño grupo de líquidos es la existencia de un máximo en la densidad del líquido que es famoso en el caso del agua. Un máximo de densidad seguido de cerca, durante el enfriamiento, por una transición de metal a semiconductor también se ve en el estado líquido estable del telururo de arsénico, (As2Te3), que es primo hermano del componente telururo de antimonio (Sb2Te3) de los PCM, todos los cuales se encuentran en la línea "Ovshinsky" que conecta el telururo de antimonio (Sb2Te3) con el telururo de germanio (GeTe) en el diagrama de fase de tres componentes. ¿Puede ser que la física subyacente de estos líquidos tenga una base común?

Es la sugerencia de Wei y sus coautores que cuando el germanio, el antimonio y el telurio se mezclan en una proporción de 1:2:4, (u otros a lo largo de la línea "mágica" de Ovshinsky) tanto la densidad máxima como las transiciones asociadas de metal a no metal son empujadas por debajo del punto de fusión y, concomitantemente, la transición se vuelve mucho más aguda que en otras mezclas de calcogenuros.

Luego, como en el caso muy estudiado del agua sobreenfriada, las fluctuaciones asociadas con los extremos de la función de respuesta 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, "Angell entusiasma" 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 lo amorfo, estado de baja conductividad hasta temperatura ambiente. En "bits" nanoscópicos, luego permanece indefinidamente estable hasta que un pulso de calor programado por computadora le indique que se eleve instantáneamente a una temperatura en la que, en una escala de tiempo de nanosegundos, Flash cristaliza al estado conductor, el estado "encendido".

Lindsay Greer, de la Universidad de Cambridge, ha presentado el mismo argumento en términos de una "transición líquida" de "frágil a fuerte".

Un segundo pulso de calor un poco más grande puede llevar el "bit" instantáneamente por encima de su punto de fusión y luego, sin más entrada de calor y en estrecho contacto con un sustrato frío, se apaga a una velocidad suficiente para evitar la cristalización y queda atrapado en el estado semiconductor, el estado "apagado".

"La alta resolución del tiempo de neutrones del espectrómetro de vuelo de la Universidad Técnica de Munich era 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 visibles estos movimientos, "afirma Zach Evenson.