10.01.2025

Исследователи университета совершили прорыв в области нанотехнологий

Прорывной подход, разработанный в Университете Флиндерса и Университете Нового Южного Уэльса в Сиднее, приближает эту идею к реальности путем электрического «скручивания» одной наноразмерной сегнетоэлектрической доменной стенки.

Стенки доменов — это почти невидимые, чрезвычайно малые (1-10 нм) границы, которые естественным образом возникают или даже могут быть введены или стерты внутри специальных изолирующих кристаллов, называемых сегнетоэлектриками. Стенки доменов внутри этих кристаллов разделяют области с различной ориентацией связанного заряда.

Что еще более важно, эти крошечные границы, несмотря на то, что они встроены в изолирующие кристаллы, могут действовать как каналы для регулирования потока электронов и, таким образом, способны хранить и обрабатывать информацию, как в человеческом мозге, говорит старший преподаватель физики в Университете Флиндерса доктор Панкадж Шарма, ведущий автор и соавтор новой статьи Американского химического общества (ACS).

Почему это важно? Устройства, имитирующие человеческий мозг, позволяют быстрее обрабатывать огромные объемы информации, потребляя при этом гораздо меньше энергии по сравнению с существующими цифровыми компьютерами, в частности, для таких задач, как распознавание изображений и голоса, говорят исследователи.

«Благодаря новой конструкции эти сегнетоэлектрические доменные стенки в кристаллических сегнетоэлектрических материалах готовы стать основой нового поколения адаптивных запоминающих устройств, приближая нас к более быстрой, экологичной и интеллектуальной электронике», — говорит Шарма.

«Наши результаты подтверждают перспективность сегнетоэлектрических доменных стенок для нейроморфных и вычислительных приложений на основе мозга, основанных на интегрированных сегнетоэлектрических устройствах», — добавляет он.

«В нашем исследовании одна сегнетоэлектрическая доменная стенка была контролируемо введена и спроектирована для имитации поведения мемристора. Прикладывая электрические поля, мы тщательно манипулируем формой и положением этой одиночной стенки, заставляя ее изгибаться и деформироваться. Это контролируемое движение приводит к изменениям электронных свойств стенки, раскрывая ее способность хранить и обрабатывать данные на разных уровнях».

Новое исследование показывает, как сегнетоэлектрические доменные стенки, охватывающие два терминальных устройства, могут функционировать как мемристоры — устройства, способные хранить информацию на разных уровнях и запоминать историю своей электрической активности — подобно синапсам в человеческом мозге.

«Ключ заключается во взаимодействии между поверхностным закреплением стенки (там, где она зафиксирована) и ее свободой скручиваться или деформироваться глубже в материале», — сказал соавтор и профессор UNSW Ян Зайдель. «Эти контролируемые скручивания создают спектр электронных состояний, обеспечивая многоуровневое хранение данных и устраняя необходимость в повторяющейся инъекции или стирании стенки, делая устройства более стабильными и надежными».

Используя передовую микроскопию и теоретическое моделирование фазового поля, исследование раскрывает физику, лежащую в основе этих электронных переходов, вызванных деформацией на доменной стенке.

«Эти новые высоковоспроизводимые и энергоэффективные устройства доменных стен могут произвести революцию в нейроморфных вычислениях — системах, вдохновленных мозгом, которые обещают преобразовать искусственный интеллект и обработку данных», — сказал соавтор и профессор Университета Нового Южного Уэльса Валанор Нагараджан.

Источник журнал ACS Applied Materials & Interfaces.