По словам исследователей, новая технология предлагает способ хранения электрической информации в самом тонком устройстве, известном науке на данный момент, в одном из самых стабильных и инертных материалов в природе. Разрешенное квантово-механическое туннелирование электронов через атомарно тонкую пленку может значительно ускорить процесс считывания информации по сравнению с современными технологиями.

Исследование было проведено учеными из Школы физики и астрономии и Школы химии Тель-Авивского университета. В состав исследовательской группы входят Мааян Визнер Штерн, Ювал Вашиц, доктор Вей Цао, доктор Ифтах Нево, профессор Эран Села, профессор Майкл Урбах, профессор Одед Ход и доктор Моше Бен-Шалом. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

«Наше исследование было вызвано интересом к поведению атомов и электронов в твердых материалах, лежащему в основе многих технологий, обеспечивающих наш современный образ жизни», - рассказывает д-р Бен-Шалом. «Мы (и многие другие ученые) пытаемся понять, предсказать и даже контролировать удивительные свойства этих частиц, когда они конденсируются в упорядоченную структуру, которую мы называем кристаллом. В основе компьютера, например, лежит крошечное кристаллическое устройство, предназначенное для переключения между двумя состояниями, указывающими на разные ответы - «да» или «нет», «вверх» или «вниз» и т. д. Без этой дихотомии невозможно кодировать и обрабатывать информацию. Практическая задача состоит в том, чтобы найти механизм, обеспечивающий такие переключения в миниатюрном, быстром и недорогом устройстве.

Современные такие устройства состоят из крошечных кристаллов, содержащих всего около миллиона атомов (около сотни атомов в высоту, ширину и толщину), так что миллион таких устройств можно примерно миллион раз уместить в площадь одной монеты, при этом каждое устройство переключается со скоростью около миллиона раз в секунду.

И вот теперь исследователям Тель-Авивского университета впервые удалось уменьшить толщину кристаллических устройств до двух атомов. Доктор Бен-Шалом подчеркивает, что такая тонкая структура позволяет создавать память, основанную на квантовой способности электронов быстро и эффективно преодолевать барьеры толщиной всего в несколько атомов. Это может позволить значительно улучшить скорость, плотность и энергосбережение многих электронных устройств.

В исследовании использовался двумерный материал: слои бора и азота толщиной в один атом, расположенные в повторяющейся гексагональной структуре. В своем эксперименте ученые смогли нарушить симметрию этого кристалла, искусственно соединив два таких слоя. «В своем естественном трехмерном состоянии этот материал состоит из большого количества слоев, расположенных друг над другом, причем каждый слой повернут на 180 градусов относительно своих соседей (так называемая антипараллельная конфигурация)», - говорит д-р Бен-Шалом. «В лаборатории мы смогли искусственно сложить слои в параллельную конфигурацию без ротации, что гипотетически дало нам возможность идеально совместить атомы одного вида, несмотря на сильную силу отталкивания между ними (возникающую из-за их одинаковых зарядов). На самом деле кристалл все же слегка сдвигает один слой атомов по отношению к другому, так что только половина атомов каждого слоя полностью перекрывается, а те, которые перекрываются, имеют противоположные заряды, в то время как все остальные расположены над или внизу пустого места - центра шестиугольника. В этой конфигурации искусственного наложения слои существенно отличаются друг от друга. Например, если в верхнем слое перекрываются только атомы бора, то в нижнем - наоборот».

Доктор Бен Шалом отмечает, что теоретическая группа проделала большую работу, проведя множество компьютерных симуляций: «Вместе мы дошли до глубокого понимания того, почему электроны системы располагаются так, как мы это установили в лаборатории. Благодаря этому фундаментальному пониманию мы ожидаем захватывающих результатов и от других слоистых систем с нарушенной симметрией».

Мааян Визнер Штерн, аспирантка, руководившая исследованием, объясняет: «Нарушение симметрии, которое мы создали в лаборатории, и которого нет в природном кристалле, заставляет электрический заряд реорганизоваться между слоями и генерировать крошечную внутреннюю электрическую поляризацию перпендикулярно плоскости слоя. Когда мы прикладываем внешнее электрическое поле в противоположном направлении, система скользит вбок, меняя ориентацию своей поляризации. Эта "переключенная" поляризация остается стабильной даже тогда, когда внешнее электрическое поле выключается. В этом наша система похожа на "толстые" трехмерные сегнетоэлектрические системы, которые сегодня широко используются в технике».

«Способность преодолевать кристаллическую и электронную структуру в такой тонкой системе с уникальными поляризационными и инверсионными свойствами, возникающими из-за так называемых "слабых сил Ван-дер-Ваальса", действующих между слоями атомов, не ограничивается только кристаллом бора и азота», - добавляет доктор Бен Шалом. . «Мы ожидаем такого же поведения во многих слоистых кристаллах с соответствующими свойствами симметрии. Концепция скольжения слов атомов очень перспективна как новый оригинальный и эффективный способ управления современными электронными устройствами, и мы даже дали ей название - Slide-Tronics».

Мааян Визнер Штерн заключает: «Мы взволнованы открытием того, что может происходить новых состояниях, которые мы навязываем природе, и полагаем, что можно создать подобные структуры с дополнительными степенями свободы. Мы надеемся, что применение этой технологии улучшит современные электронные устройства и позволит использовать другие новые методы управления информацией в приборах, которые еще предстоит создать. Мы ожидаем, что эта технология будет применяться не только в компьютерах, но и датчиках, накопителях и преобразователях энергии, устройствам, взаймодействующим со светом и т.п. Наша задача теперь - найти новые подобные кристаллы с большим числом степеней свободы скольжения».

Исследование финансировалось за счет поддержки Европейского исследовательского совета (стартовый грант ERC), Израильского научного фонда (ISF) и Министерства науки и технологий Израиля.

https://www.youtube.com/watch?v=foqzblD6pvo&ab_channel=T...

Источник