I ricercatori hanno utilizzato un modello avanzato per simulare con dettagli senza precedenti il ​​funzionamento delle "celle a commutazione di resistenza" che potrebbero sostituire la memoria convenzionale per applicazioni elettroniche, con la possibilità di portare una memoria del computer più veloce e di maggiore capacità consumando meno energia.

Queste "celle di metallizzazione" elettromeccaniche passano rapidamente da alta resistenza a bassa resistenza - un'operazione a due stati che potrebbe essere utilizzata per rappresentare gli uno e gli zeri nel codice binario necessario per eseguire comandi software e memorizzare informazioni nei computer.

I ricercatori della Purdue University hanno sviluppato un nuovo metodo per simulare i processi elettrochimici che regolano l'operazione con dettagli atomici. I ricercatori hanno utilizzato il modello per simulare le prestazioni di un tipo di celle a commutazione di resistenza chiamate anche celle a ponte conduttivo.

"Nonostante la loro importanza, i meccanismi che governano le loro notevoli proprietà sono stati poco conosciuti, limitando la nostra capacità di valutare le prestazioni finali e il potenziale per la commercializzazione, "ha detto Alejandro Strachan, un professore di ingegneria dei materiali a Purdue. "Ora, una comprensione meccanicistica a livello atomico del processo di commutazione fornisce nuove linee guida per l'ottimizzazione dei materiali."

Le celle a commutazione di resistenza sono considerate come un possibile sostituto dell'attuale memoria non volatile, che sta raggiungendo i suoi limiti tecnologici e potrebbe essere utilizzato anche per applicazioni logiche. Le celle a ponte conduttivo possono commutare in una manciata di nanosecondi, il che le rende potenzialmente capaci di un funzionamento ultraveloce, e sono estremamente piccole, possibilmente consentendo più compatto, potente memoria del computer, disse Strachan.

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso questa settimana sulla rivista Materiali della natura . Il documento è stato scritto da Nicolas Onofrio, associato di ricerca post-dottorato di Purdue, studente laureato David Guzman e Strachan.

I dispositivi contengono due elettrodi metallici separati da un dielettrico, o materiale isolante. Quando viene applicata una tensione, l'elettrodo attivo, in questo caso di rame, si dissolve nel dielettrico e gli ioni iniziano a muoversi verso l'elettrodo inattivo. Questi ioni alla fine formano un filamento conduttivo che collega i due elettrodi, riducendo la resistenza elettrica. Quando la tensione è invertita, i filamenti si rompono, tornando allo stato ad alta resistenza. Una gif animata mostrata in questo video descrive l'azione:

I ricercatori sono stati in grado di simulare per la prima volta ciò che accade alle dimensioni reali su nanoscala e ai regimi temporali dei dispositivi, fornendo nuove informazioni su come i filamenti si formano e si rompono. I risultati forniscono nuove informazioni sulle reazioni elettrochimiche che portano alla formazione dei filamenti e alla loro rottura, prevedere l'operazione ultraveloce osservata in precedenti esperimenti con dispositivi più grandi, con la commutazione veloce come pochi nanosecondi.

L'emergere di tali simulazioni avanzate sta rendendo possibile prevedere il comportamento preciso e le prestazioni dei nuovi dispositivi prima che siano stati costruiti, un obiettivo della Materials Genome Initiative costituita nel 2011.

"L'obiettivo della MGI è scoprire, sviluppare e distribuire materiali due volte più velocemente a metà del costo, " ha detto Strachan. "Ora ci vogliono 20 anni dal momento in cui scopriamo un materiale in un laboratorio fino a quando lo inseriamo in un prodotto, ed è troppo lungo. Prevediamo che i prossimi decenni saranno testimoni di una rivoluzione con l'incorporazione di simulazioni ed esperimenti multiscala che porteranno a notevoli guadagni in termini di prestazioni e riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo".

La ricerca ha sede presso il Birck Nanotechnology Center nel Discovery Park di Purdue ed è affiliata al Network for Computational Nanotechnology, il Centro per materiali e dispositivi predittivi (c-PRIMED) e nanoHUB. Le simulazioni vengono eseguite utilizzando supercomputer tramite la divisione informatica di ricerca di Purdue (ITaP) dell'Information Technology.

Questo lavoro è stato sostenuto dal FAME Center, uno dei sei centri di STARnet, un programma della Semiconductor Research Corporation sponsorizzato da MARCO e DARPA e dalla National Nuclear Security Administration del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Il lavoro futuro riguarderà la ricerca per trovare materiali migliori per i dispositivi.