Lignende ladninger tiltrækkes af hinanden

NUST MISIS-forskere har opdaget, hvordan den latente tilstandsdannelse i lagdelt tantaldisulfid udvikler sig. Opdagelsen har fremtidige applikationer i computerens hukommelse.

Professor Petr Karpov og Serguei Brazovskii, begge forskere ved NUST MISIS, har udviklet en teori, der forklarer mekanismen for dannelsen af ​​latent tilstand i lagdelt tantaldisulfid, et af de mest lovende materialer til moderne mikroelektronik. Stoffets latente tilstand blev opdaget af Serguei Brazovskii sammen med en gruppe forsøgsledere fra Slovenien i 2014. I det eksperiment, tantal disulfid prøven, som var mindre end 100 nanometer, blev belyst af en ultrakort laser. Via pulser i det bestrålede område, prøven kunne skiftes til en leder af dielektrikum og tilbage til sin oprindelige tilstand. Skiftet skete på kun et picosekund - en langt hurtigere hastighed end i de "hurtigste" materialer, der bruges som lagermedier i moderne computere. Denne tilstand varede ved efter eksponering. Derfor, materialet er blevet en potentiel kandidat til grundlaget for den næste generation af informationsdatamedier.

Professor Petr Karpov, ingeniør ved NUST MISIS afdelingen for teoretisk fysik og kvanteteknologier, sagde "boomet i undersøgelsen af ​​lagdelt tantaldisulfid skete efter vores kolleger fra Slovenien opdagede den latente tilstand, uopnåelige i konventionelle (termodynamiske) faseovergange. Imidlertid, de fleste af disse værker var eksperimentelle, og teorien haltede bagefter. Hvad var mekanismerne bag den latente tilstandsdannelse? Dens natur forblev uklar. Hvorfor vender systemet ikke tilbage til sin oprindelige tilstand, fortsætter med at forblive i ændret form på ubestemt tid? I denne artikel, vi forsøgte at finde den teoretiske begrundelse for de forekommende processer."

Tantaldisulfid tilhører en særlig gruppe af ledermaterialer, hvori der dannes såkaldte ladningsdensitetsbølger. Dette betyder, at ud over de naturlige toppe af elektrontæthed forårsaget af tilstedeværelsen af ​​et atom, der er også en anden periodicitet, der er flere gange større end afstanden mellem de tilstødende atomer i krystalgitteret. I dette tilfælde, graden af ​​denne periodicitet er roden af ​​13, så der er ret stor forskel.

Billede A viser et lag af tantalatomer. Perioden mellem "supertoppene" er markeret med en rød pil. Tilstanden af ​​stederne i tantaldisulfidlaget adskiller sig fra hinanden ved, at den maksimale elektrondensitet er centreret om tantalatomer. De røde viser én tilstand, mens de blå og hvide viser andre tilstande.

NUST MISIS-forskernes arbejde bestod i at konstruere og studere en universel teoretisk model, der kunne beskrive den vigtigste egenskab ved den nyopdagede tilstand - dannelsen og transformationen af ​​nano-strukturelle mosaikker (billede b). Nogle af metalatomerne flyver ud af gitteret efter behandlingen af ​​elektriske impulser i prøven af ​​lagdelt tantaldisulfid, og det forårsager defekter - opladede ledige pladser i den elektroniske krystal.

Imidlertid, i stedet for at holde maksimal afstand fra hinanden, ladningerne er smurt langs de lineære kæder af tantalatomer, danner grænser for zoner med forskellige tilstande af tantalatomer. Disse domæner kæder så i det væsentlige sammen, forbundet til et globalt netværk. Manipulering af disse nanosæt er årsagen til de skiftende og hukommelseseffekter, der observeres i materialet.

"Vi forsøgte at finde ud af, hvorfor lignende ladninger i en sådan struktur ikke afviser, men, faktisk, er tiltrukket af hinanden. Det viste sig, at denne proces er energetisk mere rentabel end den maksimale fjernelse af positive ladninger fra hinanden, fordi dannelsen af ​​fraktioneret ladede domænevægge minimerer ladningen af ​​den konstituerende væg af atomer, derfor bliver domænesystemet mere stabilt. Dette bekræftes fuldstændigt af eksperimentet, og hele krystallen kan bringes til en sådan tilstand med en domænemosaik og kugler, der deler væggene, " tilføjede Petr Karpov.

Takket være udviklingen af ​​denne teori, det er muligt at bekræfte, at domænetilstanden af ​​tantaldisulfid kan bruges til langtidslagring og superhurtig drift af information. En artikel med forskningsresultaterne blev publiceret i Videnskabelige rapporter .