Vědecký tým z Polytechnické federální školy ve švýcarském Lausanne poprvé zaznamenal v nějakém materiálu schopnost paměti. Objev má podle členů tohoto týmu docela zajímavé důsledky pro vývoj elektronických zařízení, zejména pro zpracování a ukládání dat. A třebaže je první, nemusí být poslední.

Nový materiál pro výpočetní elektroniku

Ve své studii, otištěné v Nature Electronics, prezentuje tým vedený elektroinženýrem Mohammadem Samizadehem Nikoo „elektronicky dostupné strukturní stavy s dlouhou životností v oxidu vanadičitém, jež mohou poskytnout schéma pro ukládání a zpracování dat.“

Podle jeho členů mohou tyto struktury připomínající sklo překonat rychlostí, nízkou spotřebou energie i schopností miniaturizace konvenční kovo-oxido-polovodičovou elektroniku. Mohly by také představovat cestu k neuromorfním výpočtům a víceúrovňovým pamětem.

Oxid vanadičitý (VO2) je materiál, jenž byl nedávno představen jako alternativa nebo doplněk ke křemíku coby základu pro elektronická zařízení, a to pro jeho potenciál překonat druhý materiál jako polovodič.

Jednou z nejzajímavějších vlastností VO2 je, že se při teplotě pod 68 stupňů Celsia chová jako izolant – ale nad touto kritickou teplotou se náhle přepne na kov s dobrou vodivostí. Proč tomu tak je, zjistili vědci teprve nedávno, v roce 2018: jak totiž stoupá teplota, mění materiál způsob uspořádání atomů ve svém mřížkovém vzoru. Když teplota opět klesne, materiál se vrátí do původního stavu izolantu.

Pamatuje si, co se s ním dělo

Samizadeh Nikoo se v rámci své studie rozhodl nejdříve zkoumat, jak dlouho trvá přechod VO2 z izolátoru na kov a naopak, a začal provádět měření.

Tato měření ale odhalila něco velmi zvláštního. Přestože se VO2 vrátil do výchozího stavu, choval se, jako by si pamatoval nedávnou aktivitu.

Experimenty zahrnovaly zavedení elektrického proudu do materiálu, který procházel přesnou cestou z jedné strany na druhou. Proud zahříval VO2, což způsobilo změnu jeho stavu – výše zmíněné přeskupení atomové struktury.

Jakmile vědci proud vypnuli, atomová struktura se znovu uvolnila. Když ho ale znovu zapnuli, začalo se dít něco zajímavého. „Zdálo se, že VO2 si ‚pamatuje‘ první fázový přechod a předvídá další,“ vysvětluje elektroinženýr Elison Matioli z lausannské Polytechnické federální školy.

| Video: Youtube

„Nečekali jsme, že uvidíme tento druh paměťového efektu. Nemá to nic společného s elektronickými stavy, ale spíše s fyzickou strukturou materiálu. Je to nový objev: žádný jiný materiál se takto nechová,“ dodává.

Práce výzkumného týmu odhalila, že VO2 uchovával nějaký druh informací o naposledy použitém proudu po dobu nejméně tří hodin. Ve skutečnosti to mohlo být dokonce podstatně déle. „V současnosti však nemáme nástroje potřebné k měření,“ říká Matioli.

Přepínač připomíná chování neuronů v mozku, které slouží jako jednotka paměti i jako procesor. Počítače založené na podobném systému, popisované jako neuromorfní technologie, by mohly mít oproti klasickým čipům a obvodovým deskám skutečnou výhodu.

Protože tato dvojí vlastnost je materiálu vrozená, zdá se, že VO2 splňuje prakticky všechny vysněné požadavky na paměťová zařízení: potenciál pro vysokou kapacitu, vysokou rychlost a škálovatelnost. A jeho vlastnosti mu navíc dávají náskok před paměťovými zařízeními, jež kódují data v binárním formátu řízeném elektrickými stavy.

„Dynamika ve sklu podobném VO2 může být excitována v subnanosekundových časových škálách a sledována v několika časových řádech, od mikrosekund po hodiny,“ píší vědci. „Naše zařízení tak mohou potenciálně splňovat neustálé požadavky, které jsou na elektroniku kladeny, jako snížení spotřeby, zrychlení provozu a snížení úrovně napájení.“