Алхимия 21-го века

Ученые США, Чехии и Германии разработали наноматериал, на основе которого могут быть созданы принципиально новые компоненты микроэлектроники. Статья на эту тему была опубликована в одном из самых авторитетных общенаучных журналов Nature («Природа»).

В настоящее время для записи информации на компьютеры используются жесткие диски. Их минус заключается в том, что они являются немного медлительными. Вот и пытаются исследователи заменить их чем-нибудь более эффективным. По скорости приближенному, например, к функции полупроводниковой оперативной памяти. Удобно, быстро. Но... как, вероятно, на собственном опыте хоть раз убедился каждый пользователь, данные и программы во временном хранилище остаются лишь при включенном компьютере. Стоит ему разрядиться или по какой-то причине выключиться из сети — пиши пропало, работу придется начать с нуля. Если, конечно, периодически не сохранять информацию на жесткий диск.

О том, какие возможности существуют для усовершенствования скорости и способа сохранения данных, нам рассказал старший научный сотрудник Института физики Академии Наук ЧР, руководитель научной группы, которая участвует в данном научном исследовании с чешской стороны, Станислав Камба:

«Вариантов может быть два. Либо использовать магнитные материалы. В таком случае запись осуществляется с помощью магнитного поля. Это довольно проблематично. Поскольку части приборов сильно нагреваются из-за высокой электронной плотности. Либо пускаются в ход ферроэлектрики (они же сегнетоэлектрики). Там существует выгода скорости, возможность проводить запись путем электрического поля. Опять же, они стареют..»

Станислав Камба

Сегодня разрабатываются и используются как сегнетоэлектрическое оперативные запоминающие устройства, так и магнитные ОЗУ. Оба типа памяти имеют, по мнению ученых, свои плюсы и минусы, а наиболее подходящим, как полагают они, являлся бы материал, обладающий как ферромагнитными, так сегнетоэлектрическими характеристиками, так называемые, мультиферроики. Такие материалы интересны тем, что их электрическими свойствами можно управлять с помощью магнитного воздействия и наоборот, что можно применить для создания устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи. Проблема заключается в том, что:

«Такие материалы в природе встречаются очень редко. Поэтому мы принялись за их искусственное создание».

Дабы дополнить картину всего исследования, цитируем статью на данную тему, подготовленную по материалам американского Корнеллского университета и сохраненную, например, в кэше www.infornews.ru:

«Материалы, объединяющие в себе эти свойства, встречаются чрезвычайно редко; первое такое соединение было обнаружено в 1966 году, но и оно, и все найденные затем аналоги сильно уступали «чистым» ферромагнетикам и сегнетоэлектрикам. «Классические методики поиска исчерпали себя», - утверждает один из авторов работы Даррелл Шлом (Darrell Schlom) из Корнеллского университета (США).

«Мы рассматривали те материалы, которые не имеют нужных свойств, и моделировали их поведение при растяжении и сжатии, - продолжает мысль коллеги Крэйг Фенни (Craig Fennie). - Выполняя расчеты из первых принципов, мы выделяли соединения, казавшиеся перспективными». Одним из них стал титанат европия EuTiO3, который, как подсказывало моделирование, необходимо сжимать.

Фото: www.ct24.cz

Подходящей подложки, обеспечивающей сжатие, авторы не нашли, и в эксперименте использовали скандат диспрозия DyScO3, пленка титаната европия, расположенная на его поверхности, растягивается, поскольку в кристаллической структуре скандата межатомное расстояние чуть увеличено. Измерения показали, что титанат европия приобретает требуемые характеристики, причем по амплитуде спонтанной поляризации и намагниченности он на порядки превосходит другие известные соединения».

Продолжает Станислав Камба:

«Таким образом, мы берем маломагнитный материал, который не является сегнетоэлектриком, растягиваем его до тончайшего слоя и натягиваем на поверхность. В таком состоянии у него возникают другие свойства. Мы доказали, что можем сделать его сильномагнитным. Кроме того, у него появляются качества сегнетоэлектрика. То есть, на него может воздействовать электрическое поле».

Данная область изучается уже более 40 лет. Тем не менее, она оставалась на периферии, поскольку считалась неперспективной.

«Как уже было сказано выше, мультиферроиков встречается мало. Во-первых, физики не знали, с чем это связано. Во-вторых, сильный прогресс наметился буквально 7 лет назад, с развитием исследования тонких слоев. Это стимулировало работу ученых в данной области».

Здесь следует упомянуть, что толщина пленки титана европия сотавляла всего несколько нанометров.

Фото: www.ct24.cz

«Нас вдохновила теоретическая работа американских ученых о том, что при создании тонкого слоя, который будет достаточно растянут или сжат, мы сможем превратить его в искусственный магнит, и, одновременно, добиться ферроэлектрических свойств. Поэтому мы сосредоточились на данную область. Здесь следует подчеркнуть, что мы сами не создавали эти слои. Международное сотрудничество было широким. Мы лишь доказали, что на этот материал воздействует электрическое поле, то есть, является и сегнетоэлектриком».

Дабы понять, какое значение имеет это открытие, обратимся к уже цитируемой нами статье по материалам Корнеллского университета, с учеными которого работает Институт физики Академии Наук ЧР. В ней говорится о том, что «подобные материалы можно использовать для создания магнитной памяти и датчиков магнитного поля. Реализация этих замыслов — дело отдаленного будущего, поскольку эксперимент проводился не в обычных условиях, а при сверхнизкой температуре (около 4 кельвинов, то есть, минус 269 градусов Цельсия).

«Пока этот материал ведет себя хорошо при очень низких температурах. Однако мы проложили новый путь разработки материалов, которые можно будет использовать для создания электронной памяти. Дорогу, ведущую к другим системам, способным воздействовать при температурах, близких комнатной».

Сколько лет на это потребуется?

«Разумеется, нельзя ожидать, что аппликация осуществится в ближайшее время. Для этого необходимы годы. Тем не менее, это означает, что можно будет полностью заменить жесткие диски, которые довольно чувствительны к механическим воздействиям, таким, как удар или падение. Появится электронный диск, подобный флэшкам в видеокамерах. Пока их недостаток заключается в ограниченном объеме памяти. В случае замещения новыми материалами, возможны были бы компьютеры без жеских дисков с высокой скоростью, небольшой ценой и значительным объемом памяти».