Gli scienziati di NUST MISIS hanno scoperto come si sviluppa la formazione dello stato latente nel disolfuro di tantalio stratificato. La scoperta ha applicazioni future nella memoria del computer.

Professor Petr Karpov e Serguei Brazovskii, entrambi i ricercatori del NUST MISIS, hanno sviluppato una teoria che spiega il meccanismo della formazione dello stato latente nel disolfuro di tantalio stratificato, uno dei materiali più promettenti per la moderna microelettronica. Lo stato latente della materia è stato scoperto da Serguei Brazovskii con un gruppo di sperimentatori sloveni nel 2014. In quell'esperimento, il campione di disolfuro di tantalio, che era inferiore a 100 nanometri, è stato illuminato da un laser ultracorto. Tramite impulsi nell'area irradiata, il campione potrebbe essere commutato su un conduttore di dielettrici e tornare al suo stato originale. La commutazione è avvenuta in un solo picosecondo, una velocità molto più rapida rispetto ai materiali "più veloci" utilizzati come supporti di memorizzazione nei computer moderni. Tale condizione persisteva dopo l'esposizione. Di conseguenza, il materiale è diventato un potenziale candidato per la base della prossima generazione di supporti dati informativi.

Professor Petr Karpov, ingegnere presso il Dipartimento di Fisica Teorica e Tecnologie Quantistiche del NUST MISIS, ha dichiarato:"Il boom nello studio del disolfuro di tantalio stratificato è avvenuto dopo che i nostri colleghi sloveni hanno scoperto lo stato latente, irraggiungibile nelle transizioni di fase convenzionali (termodinamiche). Però, la maggior parte di questi lavori erano sperimentali, e la teoria è rimasta indietro. Quali sono stati i meccanismi della formazione dello stato latente? La sua natura è rimasta poco chiara. Perché il sistema non torna al suo stato originale, continuare a rimanere in forma modificata a tempo indeterminato? In questo articolo, abbiamo cercato di trovare la giustificazione teorica dei processi che si verificano."

Il disolfuro di tantalio appartiene a un gruppo speciale di materiali conduttori in cui si formano le cosiddette onde di densità di carica. Ciò significa che oltre ai naturali picchi di densità elettronica causati dalla presenza di un atomo, c'è anche un'altra periodicità che è parecchie volte maggiore della distanza tra gli atomi adiacenti del reticolo cristallino. In questo caso, il grado di tale periodicità è la radice di 13, quindi c'è una bella differenza.

La figura A mostra uno strato di atomi di tantalio. Il periodo tra i "superpeaks" è contrassegnato da una freccia rossa. Lo stato dei siti nello strato di disolfuro di tantalio differisce l'uno dall'altro per il fatto che la massima densità elettronica è centrata sugli atomi di tantalio. Quelli rossi mostrano uno stato, mentre quelli blu e bianchi mostrano altri stati.

Il lavoro degli scienziati di NUST MISIS consisteva nella costruzione e nello studio di un modello teorico universale che potesse descrivere la proprietà più importante dello stato appena scoperto:la formazione e la trasformazione di mosaici nanostrutturali (fig. b). Alcuni degli atomi di metallo volano fuori dal reticolo dopo l'elaborazione di impulsi elettrici nel campione di disolfuro di tantalio stratificato, e questo causa difetti, vuoti caricati nel cristallo elettronico.

Però, invece di mantenere una distanza massima l'uno dall'altro, le cariche sono spalmate lungo le catene lineari degli atomi di tantalio, formando confini di zone con diversi stati di atomi di tantalio. Questi domini quindi essenzialmente concatenano, collegato a una rete globale. La manipolazione di questi nanoset è la ragione degli effetti di commutazione e memoria osservati nel materiale.

"Abbiamo cercato di scoprire perché accuse simili in una struttura del genere non si respingono, ma, infatti, sono attratti l'uno dall'altro. Si è scoperto che questo processo è energeticamente più redditizio della massima rimozione di cariche positive l'una dall'altra perché la formazione di pareti di domini con carica frazionaria riduce al minimo la carica della parete costituente degli atomi, ecco perché il sistema di dominio diventa più stabile. Ciò è completamente confermato dall'esperimento, e l'intero cristallo può essere portato a tale stato con un mosaico di domini e globuli che dividono le pareti, " ha aggiunto Petr Karpov.

Grazie allo sviluppo di questa teoria, è possibile confermare che lo stato di dominio del disolfuro di tantalio può essere utilizzato per l'archiviazione a lungo termine e il funzionamento super veloce delle informazioni. Un articolo con i risultati della ricerca è stato pubblicato su Rapporti scientifici .