Nuovi materiali fotoferroelettrici consentono l'immagazzinamento di informazioni in modo non volatile utilizzando stimoli luminosi. L'idea è quella di creare dispositivi di memoria efficienti dal punto di vista energetico con elevate prestazioni e versatilità per affrontare le sfide attuali. Lo studio è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura di Josep Fontcuberta e collaboratori e apre una strada verso ulteriori indagini su questo fenomeno e verso applicazioni di calcolo neuromorfico.

Riuscite a immaginare di controllare le proprietà di un materiale semplicemente illuminandolo? Siamo abituati a vedere che la temperatura dei materiali aumenta se esposti al sole. Ma la luce può anche avere effetti più sottili. Infatti, i fotoni di luce possono creare coppie di portatori di carica libera in materiali altrimenti isolanti. Questo è il principio alla base dei pannelli fotovoltaici che utilizziamo per raccogliere l'energia elettrica dal sole.

In una nuova svolta, un cambiamento indotto dalla luce delle proprietà dei materiali potrebbe essere utilizzato nei dispositivi di memoria, consentendo un'archiviazione più efficiente delle informazioni e un accesso e un'elaborazione più rapidi. Questo, infatti, è una delle sfide attuali della nostra società:essere in grado di sviluppare dispositivi elettronici disponibili in commercio ad alte prestazioni che sono, allo stesso tempo, energia efficiente. L'obiettivo sono dispositivi elettronici più piccoli con un consumo energetico inferiore e alte prestazioni e versatilità.

Memoria non volatile

Ora, i ricercatori del gruppo Multifunctional Thin Films and Complex Structures (MULFOX) dell'ICMAB hanno studiato materiali ferroelettrici fotosensibili integrati in dispositivi che sfruttano le nanotecnologie e gli effetti quantistici. Gli elementi di memoria sono stati progettati per memorizzare informazioni non volatili in stati di resistenza distinti (ON/OFF). È stato scoperto che, se adeguatamente progettato, la loro resistenza elettrica può essere modulata mediante luce pulsata. Ciò significa che possono passare da uno stato a bassa resistenza ad uno ad alta resistenza semplicemente applicando impulsi luminosi.

"I materiali che mostrano cambiamenti di resistenza sotto illuminazione sono abbondanti, anche se l'effetto è tipicamente volatile e il materiale recupera il suo stato iniziale dopo un certo tempo di permanenza, " afferma il ricercatore ICMAB Ignasi Fina, coautore dello studio. "Per i dispositivi da utilizzare nell'informatica e nell'archiviazione dei dati, il controllo ottico non volatile della resistenza elettrica è di potenziale interesse, " e aggiunge "per i non volatili, intendiamo che le informazioni possono essere conservate e archiviate nel dispositivo, anche quando la corrente è spenta."

Due in uno:materiali fotoferroelettrici

Attualmente sono necessari due diversi dispositivi per utilizzare segnali ottici per l'archiviazione non volatile dei dati:un sensore optoelettronico e un dispositivo di memoria. Lo studio ICMAB presenta queste proprietà combinate in un unico materiale in grado di modulare la sua resistenza tramite luce pulsata:un materiale fotoferroelettrico.

I materiali ferroelettrici hanno una polarizzazione elettrica spontanea non volatile commutabile elettricamente. In film ultrasottili ferroelettrici di tale materiale racchiusi tra metalli appropriati, appare un effetto fenomeno meccanico quantistico chiamato corrente di tunneling. Questo effetto consente un flusso di corrente di carica attraverso lo strato ferroelettrico, che è veramente isolante, in una quantità che dipende dalla direzione della sua polarizzazione.

Nei dispositivi in ​​questione, prima si usa un campo elettrico una volta per scrivere gli stati ON/OFF, ed è abbinato allo stimolo ottico per favorire il cambio di stato ON/OFF, e modulare reversibilmente la resistenza (da alta a bassa, e viceversa).

Dispositivi e applicazioni ad alta efficienza energetica

Questi dispositivi sono efficienti dal punto di vista energetico per due motivi principali:in primo luogo, il consumo di energia si riduce quando viene scritto lo stato della memoria, in quanto non necessita di alcun flusso di corrente di carica. In secondo luogo, poiché le informazioni sono memorizzate in modo non volatile, lo stato è preservato e non è necessario aggiornare le informazioni (riscrittura) come avviene continuamente nelle attuali memorie RAM di tutti i computer, Per esempio.

L'interruttore ottico osservato non è limitato ai materiali studiati e quindi apre una strada verso ulteriori indagini su questo fenomeno.

Per quanto riguarda le future applicazioni, Ignasi Fina prevede quanto segue:"I dispositivi studiati combinano le funzioni di sensore di luce e memoria. Inoltre, come mostrato nello studio, il dispositivo si comporta come un memristore. Un memristore è un dispositivo in grado di visualizzare più stati di resistenza in base allo stimolo ricevuto, ed è uno dei dispositivi di base per lo sviluppo di sistemi di calcolo neuromorfici. Perciò, il dispositivo sviluppato apre un percorso da esplorare in relazione alla sua integrazione nei sistemi di visione neuromorfici, dove il sistema impara a riconoscere le immagini."

Lo studio è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura .