Un team di scienziati della School of Molecular Sciences dell'Arizona State University e della Germania ha pubblicato in Progressi scientifici online oggi una spiegazione di come un particolare materiale di memoria a cambiamento di fase (PCM) può funzionare mille volte più velocemente dell'attuale memoria flash del computer, pur essendo significativamente più durevole rispetto al numero di read-write giornaliere.

I PCM sono una forma di memoria ad accesso casuale (RAM) del computer che memorizza i dati alterando lo stato della materia dei "bit", (di cui milioni costituiscono il dispositivo) tra liquido, stati di vetro e cristallo. La tecnologia PCM ha il potenziale per fornire poco costoso, alta velocità, alta densità, volume alto, storage non volatile su una scala senza precedenti.

L'idea di base e il materiale sono stati inventati da Stanford Ovshinsky, molto tempo fa, nel 1975, ma le applicazioni si sono protratte a causa della mancanza di chiarezza su come il materiale possa eseguire i cambiamenti di fase su scale temporali così brevi e problemi tecnici relativi al controllo dei cambiamenti con la necessaria precisione. Ora aziende high tech come Samsung, IBM e Intel stanno correndo per perfezionarlo.

Il materiale semimetallico oggetto di studio è una lega di germanio, antimonio e tellurio in rapporto 1:2:4. In questo lavoro il team sonda le dinamiche microscopiche nello stato liquido di questo PCM utilizzando lo scattering di neutroni quasi elastico (QENS) per ottenere indizi su ciò che potrebbe rendere i cambiamenti di fase così nitidi e riproducibili.

A comando, la struttura di ogni microscopico bit di questo materiale PCM può essere fatta cambiare da vetro a cristallo o da cristallo a vetro (attraverso l'intermedio liquido) sulla scala temporale di un millesimo di milionesimo di secondo solo da un calore controllato o impulso luminoso, il primo ora essendo preferito. Nella fase amorfa o disordinata, il materiale ha un'elevata resistenza elettrica, lo stato "spento"; nella fase cristallina o ordinata, la sua resistenza viene ridotta di 1000 volte o più per dare lo stato "on".

Questi elementi sono disposti in strati bidimensionali tra elettrodi di attivazione, che può essere impilato per fornire un array tridimensionale con una densità di siti attivi particolarmente elevata che consente al dispositivo PCM di funzionare molte volte più velocemente rispetto alla memoria flash convenzionale, pur utilizzando meno energia.

"Le fasi amorfe di questo tipo di materiale possono essere considerate dei "vetri semimetallici", " spiega Shuai Wei, che all'epoca stava conducendo una ricerca post-dottorato nel laboratorio del professor Austen Angell di SMS Regents, come destinatario della borsa di studio della Fondazione Humboldt.

"Contrariamente alla strategia nel campo della ricerca dei "vetri metallici", dove le persone hanno fatto sforzi per decenni per rallentare la cristallizzazione al fine di ottenere il vetro sfuso, qui vogliamo che quei bicchieri semi-metallici si cristallizzino il più velocemente possibile nel liquido, ma per rimanere il più stabile possibile quando si trova nello stato di vetro. Penso che ora abbiamo una nuova e promettente comprensione di come ciò venga ottenuto nei PCM in fase di studio".

Una deviazione dal previsto

Oltre un secolo fa, Einstein ha scritto nel suo dottorato di ricerca. tesi che la diffusione di particelle che subiscono un moto browniano potrebbe essere compresa se la forza di attrito che ritarda il moto di una particella fosse quella derivata da Stokes per una pallina rotonda che cade attraverso un vasetto di miele. La semplice equazione:D (diffusività) =kBT/6??r dove T è la temperatura, ? è la viscosità e r è il raggio della particella, implica che il prodotto D?/T dovrebbe essere costante al variare di T, e la cosa sorprendente è che questo sembra essere vero non solo per il moto browniano, ma anche per semplici liquidi molecolari il cui moto molecolare è noto essere tutt'altro che quello di una pallina che cade nel miele!

"Non abbiamo una buona spiegazione del perché funzioni così bene, anche nello stato di superraffreddamento altamente viscoso dei liquidi molecolari fino ad avvicinarsi alla temperatura di transizione vetrosa, ma sappiamo che ci sono alcuni liquidi interessanti in cui fallisce male anche al di sopra del punto di fusione, " osserva Angell.

"Uno di questi è il tellurio liquido, un elemento chiave dei materiali PCM. Un altro è l'acqua famosa per le sue anomalie, e un terzo è germanio, un secondo dei tre elementi del PCM di tipo GST. Ora aggiungiamo un quarto, il liquido GST stesso..!!! grazie agli studi sulla diffusione di neutroni proposti ed eseguiti da Shuai Wei e dai suoi colleghi tedeschi, Zach Evenson (Università tecnica di Monaco di Baviera, Germania) e Moritz Stolpe (Saarland University, Germania) su campioni preparati da Shuai con l'aiuto di Pierre Lucas (Università dell'Arizona)."

Un'altra caratteristica comune a questo piccolo gruppo di liquidi è l'esistenza di un massimo di densità del liquido, famoso per il caso dell'acqua. Un massimo di densità seguito da vicino, durante il raffreddamento, da una transizione metallo-semiconduttore si vede anche nello stato liquido stabile del tellururo di arsenico, (As2Te3), che è primo cugino del tellururo di antimonio (Sb2Te3) componente dei PCM che giacciono tutti sulla linea "Ovshinsky" che collega il tellururo di antimonio (Sb2Te3) al tellururo di germanio (GeTe) nel diagramma di fase a tre componenti. Può essere che la fisica sottostante a questi liquidi abbia una base comune?

È il suggerimento di Wei e coautori che quando il germanio, antimonio e tellurio sono mescolati insieme nel rapporto di 1:2:4, (o altri lungo la linea "magica" di Ovshinsky) sia i massimi di densità che le transizioni da metallo a non metallo associate vengono spinti al di sotto del punto di fusione e, in concomitanza, la transizione diventa molto più netta che in altre miscele di calcogenuri.

Quindi, come nel caso molto studiato dell'acqua superraffreddata, le fluttuazioni associate alla funzione di risposta extrema dovrebbero dar luogo a cinetiche di cristallizzazione estremamente rapide. In tutti i casi, lo stato ad alta temperatura (ora lo stato metallico), è il più denso.

"Questo spiegherebbe molto, " si entusiasma Angell "Al di sopra della transizione il liquido è molto fluido e la cristallizzazione è estremamente rapida, mentre al di sotto della transizione il liquido si irrigidisce rapidamente e trattiene l'amorfo, stato di bassa conducibilità fino a temperatura ambiente. In "bit" nanoscopici rimane quindi indefinitamente stabile fino a quando non viene istruito da un impulso di calore programmato da un computer per salire istantaneamente a una temperatura in cui, su una scala temporale di nanosecondi, il flash si cristallizza allo stato di conduzione, lo stato "acceso".

Lindsay Greer dell'Università di Cambridge ha espresso lo stesso argomento in termini di una transizione liquida da "fragile a forte".

Un secondo impulso di calore leggermente più grande può portare il "bit" istantaneamente al di sopra del suo punto di fusione e quindi, senza ulteriore apporto di calore e a stretto contatto con un substrato freddo, si spegne ad una velocità sufficiente per evitare la cristallizzazione ed è intrappolato nello stato semiconduttore, lo stato "spento".

"L'alta risoluzione del tempo di neutroni dello spettrometro di volo dell'Università tecnica di Monaco era necessaria per vedere i dettagli dei movimenti atomici. La diffusione dei neutroni all'Heinz Maier-Leibnitz Zentrum di Garching è il metodo ideale per rendere visibili questi movimenti, " afferma Zach Evenson.