Lagring af information med lys

Nye foto-ferroelektriske materialer tillader lagring af information på en ikke-flygtig måde ved hjælp af lysstimulus. Ideen er at skabe energieffektive hukommelsesenheder med høj ydeevne og alsidighed til at klare aktuelle udfordringer. Undersøgelsen er offentliggjort i Naturkommunikation af Josep Fontcuberta og kolleger og åbner en vej mod yderligere undersøgelser af dette fænomen og til neuromorfe computerapplikationer.

Kan du forestille dig at kontrollere et materiales egenskaber ved blot at skinne lys på det? Vi er vant til at se, at temperaturen på materialer stiger, når de udsættes for solen. Men lys kan også have mere subtile effekter. Ja, lysfotoner kan skabe par af gratis ladningsbærere i ellers isolerende materialer. Dette er grundprincippet for de solcellepaneler, vi bruger til at høste elektrisk energi fra solen.

I et nyt twist, en lysinduceret ændring af materialernes egenskaber kunne bruges i hukommelsesenheder, tillader mere effektiv lagring af information og hurtigere adgang og databehandling. Det her, faktisk, er en af ​​vores samfunds aktuelle udfordringer:at være i stand til at udvikle højtydende kommercielt tilgængelige elektroniske enheder, som er, på samme tid, energieffektiv. Mindre elektroniske enheder med lavere energiforbrug og høj ydeevne og alsidighed er målet.

Ikke-flygtig hukommelseslagring

Nu, forskere fra gruppen Multifunctional Thin Films and Complex Structures (MULFOX) ved ICMAB har studeret fotoresponsive ferroelektriske materialer integreret i enheder, der udnytter nanoteknologier og kvanteeffekter. Hukommelseselementer er blevet konstrueret til at gemme ikke-flygtig information i forskellige modstandstilstande (ON/OFF). Det er blevet opdaget, at når den er korrekt designet, deres elektriske modstand kan moduleres af pulserende lys. Det betyder, at de kan skifte fra en tilstand med lav modstand til en tilstand med høj modstand blot ved påføring af lysimpulser.

"Materialer, der viser modstandsændringer under belysning, er rigelige, selvom effekten typisk er flygtig, og materialet genvinder sin oprindelige tilstand efter nogen opholdstid, " siger ICMAB-forsker Ignasi Fina, medforfatter til undersøgelsen. "For enheder, der skal bruges til computere og datalagring, ikke-flygtig optisk styring af elektrisk modstand er af potentiel interesse, " og tilføjer "for ikke-flygtige, vi mener, at oplysningerne kan opbevares og gemmes i enheden, selv når strømmen er slukket."

To-i-én:fotoferroelektriske materialer

I øjeblikket kræves to forskellige enheder for at bruge optiske signaler til ikke-flygtig datalagring:en optoelektronisk sensor og en hukommelsesenhed. ICMAB-undersøgelsen har disse egenskaber kombineret i et enkelt materiale, der er i stand til at modulere dets modstand ved pulserende lys:et fotoferroelektrisk materiale.

Ferroelektriske materialer har elektrisk omskiftelig spontan ikke-flygtig elektrisk polarisering. I ferroelektriske ultratynde film af sådant materiale klemt mellem passende metaller, der opstår en kvantemekanisk fænomeneffekt kaldet tunnelstrømmen. Denne effekt tillader en ladestrøm at flyde hen over det ferroelektriske lag, som virkelig er isolerende, i en mængde, der afhænger af retningen af ​​dens polarisering.

I de pågældende enheder, først bruges et elektrisk felt én gang til at skrive ON/OFF-tilstandene, og det er kombineret med den optiske stimulus for at fremme ON/OFF-ændringen af ​​tilstande, og reversibelt modulere modstanden (fra høj til lav, og omvendt).

Energieffektive enheder og applikationer

Disse enheder er energieffektive af to hovedårsager:For det første, energiforbruget reduceres, når hukommelsestilstanden skrives, da den ikke behøver nogen ladestrøm. For det andet da oplysningerne opbevares på en ikke-flygtig måde, tilstanden bevares, og der er ingen grund til at opdatere informationen (genskrivning), som det hele tiden sker i aktuelle RAM-hukommelser på alle computere, for eksempel.

Den observerede optiske kontakt er ikke begrænset til de undersøgte materialer og åbner således en vej mod yderligere undersøgelser af dette fænomen.

Med hensyn til fremtidige ansøgninger, Ignasi Fina forestiller sig følgende:"De undersøgte enheder kombinerer lyssensor- og hukommelsesfunktioner. Derudover, som vist i undersøgelsen, enheden opfører sig som en memristor. En memristor er en enhed, der kan vise flere modstandstilstande i henhold til den stimulus, den har modtaget, og er en af ​​de grundlæggende enheder til udvikling af neuromorfe computersystemer. Derfor, den udviklede enhed åbner en vej, der skal udforskes i forhold til dens integration i neuromorfe synssystemer, hvor systemet lærer at genkende billeder."

Undersøgelsen er offentliggjort i Naturkommunikation .