Trotz all der beispiellosen, parallel ablaufenden, immer noch nicht von Magie zu unterscheidenden Zauberei, die in die drei Pfund des erwachsenen menschlichen Gehirns gepackt ist, gehorcht es der gleichen Regel wie das andere lebende Gewebe, das es kontrolliert: Sauerstoff ist ein Muss.
So bot Evgeny Tsymbal mit einem Hauch Ironie seine Erklärung für ein technologisches Wunder an – bewegliche, mit Daten bedeckte Wände, die nur wenige Atome breit sind – die Computern helfen könnten, sich mehr wie ein Gehirn zu verhalten.
„Es gab eindeutige Beweise dafür, dass Sauerstoffleerstellen dafür verantwortlich sind“, sagte Tsymbal, George Holmes University Professor für Physik und Astronomie an der University of Nebraska-Lincoln.
In Zusammenarbeit mit Kollegen in China und Singapur haben Tsymbal und einige Husker-Alumni demonstriert, wie man die sauerstoffarmen Wände eines nanoskopisch dünnen Materials konstruiert, steuert und erklärt, das für die Elektronik der nächsten Generation geeignet ist.
Im Gegensatz zu den meisten digitalen Datenschreib- und -lesetechniken, die nur binär aus 1 und 0 sprechen, können diese Wände in mehreren elektronischen Dialekten sprechen, die es den Geräten, in denen sie untergebracht sind, ermöglichen könnten, noch mehr Daten zu speichern. Wie bei Synapsen im Gehirn kann der Durchgang von elektrischen Spitzen, die über die Wände gesendet werden, davon abhängen, welche Signale zuvor durchlaufen wurden, was ihnen eine Anpassungsfähigkeit und Energieeffizienz verleiht, die eher dem menschlichen Gedächtnis ähnelt. Und ähnlich wie Gehirne Erinnerungen bewahren, selbst wenn ihre Benutzer schlafen, können die Wände ihre Datenzustände behalten, selbst wenn ihre Geräte ausgeschaltet werden – ein Vorläufer der Elektronik, die sich mit der Geschwindigkeit und Einfachheit eines Lichts wieder einschaltet.
Das Team untersuchte die Barriere durchbrechenden Wände in einem Nanomaterial namens Wismutferrit, das tausendmal dünner als ein menschliches Haar geschnitten werden kann. Wismutferrit weist auch eine seltene Eigenschaft auf, die als Ferroelektrizität bekannt ist: Die Polarisierung oder Trennung seiner positiven und negativen elektrischen Ladungen kann umgedreht werden, indem nur eine Prise Spannung angelegt wird, wodurch eine 1 oder 0 geschrieben wird. Im Gegensatz zu herkömmlichem DRAM, einem dynamischen Direktzugriffsspeicher, der alle paar Millisekunden aktualisiert werden muss, bleibt 1 oder 0 auch dann erhalten, wenn die Spannung entfernt wird, was ihm das Äquivalent eines Langzeitspeichers verleiht, der DRAM fehlt.
Normalerweise wird diese Polarisation als 1 oder 0 gelesen und umgedreht, um sie als 0 oder 1 umzuschreiben, in einem Materialbereich, der als Domäne bezeichnet wird. Zwei entgegengesetzt polarisierte Domänen treffen aufeinander, um eine Wand zu bilden, die nur einen Bruchteil des Raums einnimmt, der den Domänen selbst gewidmet ist. Die Dicke dieser Wände von wenigen Atomen und die ungewöhnlichen Eigenschaften, die manchmal in oder um sie herum auftreten, haben sie zu Hauptverdächtigen bei der Suche nach neuen Wegen gemacht, um immer mehr Funktionalität und Speicherplatz in schrumpfende Geräte zu quetschen.
Dennoch haben sich Wände, die parallel zur Oberfläche eines ferroelektrischen Materials verlaufen – und eine elektrische Ladung enthalten, die für die Datenverarbeitung und -speicherung nutzbar ist – als schwierig zu finden, geschweige denn zu regulieren oder zu erzeugen, erwiesen. Aber vor etwa vier Jahren begann Tsymbal mit Jingsheng Chen von der National University of Singapore und He Tian von der Zhejiang University in China zu sprechen. Zu dieser Zeit waren Tian und einige Kollegen Pioniere einer Technik, die es ihnen ermöglichte, Spannungen im atomaren Maßstab anzulegen, während sie Verschiebungen und Dynamiken von Atom zu Atom in Echtzeit aufzeichneten.
Letztendlich fand das Team heraus, dass das Anlegen von nur 1,5 Volt an einen Wismut-Ferrit-Film eine Domänenwand parallel zur Materialoberfläche ergab – eine mit einem spezifischen elektrischen Widerstand, dessen Wert als Datenzustand gelesen werden konnte. Wenn die Spannung entfernt wurde, blieb die Wand und ihr Datenzustand bestehen.
Als das Team die Spannung erhöhte, begann die Domänenwand, das Material hinunterzuwandern, ein Verhalten, das bei anderen Ferroelektrika beobachtet wurde. Während sich die Wände in diesen anderen Materialien dann aber senkrecht zur Oberfläche ausgebreitet hatten, blieb diese parallel. Und im Gegensatz zu allen ihren Vorgängern nahm die Mauer ein eiszeitliches Tempo an und wanderte jeweils nur eine Atomschicht. Seine Position wiederum korrespondierte mit Änderungen seines elektrischen Widerstands, der in drei verschiedenen Schritten abfiel – drei besser lesbare Datenzustände – die zwischen dem Anlegen von 8 und 10 Volt auftraten.
Die Forscher hatten ein paar Ws festgelegt – das Was, das Wo, das Wann –, die entscheidend waren, um das Phänomen schließlich in elektronischen Geräten einzusetzen. Aber einer fehlte ihnen noch. Zufällig gehörte Tsymbal zu den wenigen Personen, die dafür qualifiziert waren.
„Da war ein Rätsel“, sagte Tsymbal. „Warum passiert das? Und hier half die Theorie.“
Die meisten Domänenwände sind elektrisch neutral und besitzen weder eine positive noch eine negative Ladung. Aus gutem Grund: Eine neutrale Wand benötigt wenig Energie, um ihren elektrischen Zustand aufrechtzuerhalten, was sie praktisch zum Standard macht. Die Domänenwand, die das Team im ultradünnen Wismutferrit identifizierte, besaß dagegen eine beträchtliche Ladung. Und das, das wusste Tsymbal, hätte es davon abhalten sollen, sich zu stabilisieren und fortzubestehen. Doch irgendwie schaffte es genau das und schien die Regeln der Physik der kondensierten Materie zu missachten.
Es musste eine Erklärung geben. In seiner früheren Forschung hatten Tsymbal und seine Kollegen herausgefunden, dass der Austritt von negativ geladenen Sauerstoffatomen und die positiv geladenen Leerstellen, die sie hinterlassen, ein technologisch nützliches Ergebnis verhindern könnten. Diesmal legten Tsymbals theoriegestützte Berechnungen das Gegenteil nahe – dass die positiv geladenen Leerstellen andere negative Ladungen kompensierten, die sich an der Wand ansammelten, und sie dadurch im Wesentlichen verstärkten.
Experimentelle Messungen des Teams zeigten später, dass die Ladungsverteilung im Material fast genau mit der Position der Domänenwand übereinstimmte, genau wie die Berechnungen vorhergesagt hatten. Wenn Sauerstoffleerstellen in anderen ferroelektrischen Spielplätzen auftauchen, könnten sie sich als entscheidend für ein besseres Verständnis und die Konstruktion von Geräten erweisen, die die wertvolle Materialklasse enthalten, sagte Tsymbal.
„Aus meiner Sicht war das am aufregendsten“, sagte Tsymbal, der die Forschung mit Unterstützung des quantenfokussierten EQUATE-Projekts der Universität durchführte. „Dies verbindet Ferroelektrizität mit Elektrochemie. Wir haben eine Art elektrochemischer Prozesse – nämlich die Bewegung von Sauerstoffleerstellen – die im Grunde die Bewegung dieser Domänenwände steuern.
„Ich denke, dass dieser Mechanismus sehr wichtig ist, denn was die meisten Menschen tun – einschließlich uns theoretisch –, ist, sich unberührte Materialien anzusehen, bei denen die Polarisierung auf und ab wechselt, und zu untersuchen, was mit dem Widerstand passiert. All die experimentellen Interpretationen von Dieses Verhalten basierte auf diesem einfachen Bild der Polarisation. Aber hier ist es nicht nur die Polarisation. Es beinhaltet einige chemische Prozesse darin.“
Das Team erläuterte seine Ergebnisse im Journal Natur. Tsymbal, Tian und Chen haben die Studie zusammen mit Ze Zhang, Zhongran Liu, Han Wang, Hongyang Yu, Yuxuan Wang, Siyuan Hong, Meng Zhang, Zhaohui Ren und Yanwu Xie sowie den Husker-Alumni Ming Li, Lingling Tao und Tula Paudel verfasst.