Une équipe de scientifiques de la School of Molecular Sciences de l'Arizona State University et de l'Allemagne a publié dans Avancées scientifiques en ligne aujourd'hui une explication de la façon dont un matériau de mémoire à changement de phase (PCM) particulier peut fonctionner mille fois plus rapidement que la mémoire flash d'ordinateur actuelle, tout en étant nettement plus durable par rapport au nombre de lectures-écritures quotidiennes.

Les PCM sont une forme de mémoire vive informatique (RAM) qui stocke des données en modifiant l'état de la matière des "bits", (dont des millions composent l'appareil) entre liquide, états du verre et du cristal. La technologie PCM a le potentiel de fournir des grande vitesse, haute densité, volume élevé, stockage non volatile à une échelle sans précédent.

L'idée de base et le matériel ont été inventés par Stanford Ovshinsky, il y a longtemps, en 1975, mais les applications ont persisté en raison du manque de clarté sur la façon dont le matériau peut exécuter les changements de phase sur des échelles de temps aussi courtes et des problèmes techniques liés au contrôle des changements avec la précision nécessaire. Désormais, des entreprises de haute technologie comme Samsung, IBM et Intel se battent pour le perfectionner.

Le matériau semi-métallique en cours d'étude est un alliage de germanium, l'antimoine et le tellure dans le rapport 1:2:4. Dans ce travail, l'équipe sonde la dynamique microscopique à l'état liquide de ce MCP en utilisant la diffusion quasi-élastique des neutrons (QENS) pour obtenir des indices sur ce qui pourrait rendre les changements de phase si brusques et reproductibles.

Sur commande, la structure de chaque morceau microscopique de ce matériau PCM peut être amenée à changer du verre au cristal ou du cristal au verre (à travers l'intermédiaire liquide) sur une échelle de temps d'un millième de millionième de seconde simplement par une chaleur contrôlée ou impulsion lumineuse, le premier étant maintenant préféré. En phase amorphe ou désordonnée, le matériau a une résistance électrique élevée, l'état « arrêt » ; en phase cristalline ou ordonnée, sa résistance est réduite de 1000 fois ou plus pour donner l'état "on".

Ces éléments sont disposés en couches bidimensionnelles entre des électrodes d'activation, qui peuvent être empilés pour donner une matrice tridimensionnelle avec une densité de sites actifs particulièrement élevée permettant au dispositif PCM de fonctionner plusieurs fois plus rapidement qu'une mémoire flash conventionnelle, tout en utilisant moins d'énergie.

"Les phases amorphes de ce genre de matériau peuvent être considérées comme des "verres semi-métalliques", " explique Shuai Wei, qui à l'époque menait des recherches postdoctorales dans le laboratoire du professeur Austen Angell de SMS Regents, en tant que récipiendaire de la bourse de la Fondation Humboldt.

"Contrairement à la stratégie dans le domaine de la recherche des "verres métalliques", où les gens ont fait des efforts pendant des décennies pour ralentir la cristallisation afin d'obtenir le verre en vrac, ici on veut que ces verres semi-métalliques cristallisent le plus vite possible dans le liquide, mais pour rester aussi stable que possible à l'état de verre. Je pense que nous avons maintenant une nouvelle compréhension prometteuse de la façon dont cela est réalisé dans les PCM à l'étude."

Un écart par rapport à l'attendu

Il y a plus d'un siècle, Einstein a écrit dans son doctorat. thèse selon laquelle la diffusion de particules subissant un mouvement brownien pourrait être comprise si la force de friction retardant le mouvement d'une particule était celle dérivée par Stokes pour une balle ronde tombant à travers un pot de miel. L'équation simple :D (diffusion) =kBT/6??r où T est la température, ? est la viscosité et r est le rayon des particules, implique que le produit D?/T doit être constant lorsque T change, et la chose surprenante est que cela semble être vrai non seulement pour le mouvement brownien, mais aussi pour de simples liquides moléculaires dont le mouvement moléculaire est connu pour être tout sauf celui d'une boule tombant dans le miel !

"Nous n'avons pas de bonne explication de pourquoi cela fonctionne si bien, même dans l'état de surfusion très visqueux des liquides moléculaires jusqu'à approcher la température de transition vitreuse, mais nous savons qu'il existe quelques liquides intéressants dans lesquels il échoue gravement même au-dessus du point de fusion, " observe Angell.

"L'un d'eux est le tellure liquide, un élément clé des matériaux PCM. Un autre est l'eau qui est célèbre pour ses anomalies, et un troisième est le germanium, un deuxième des trois éléments du type GST de PCM. Maintenant, nous en ajoutons un quatrième, le liquide GST lui-même..!!! grâce aux études de diffusion des neutrons proposées et exécutées par Shuai Wei et ses collègues allemands, Zach Evenson (Université technique de Munich, Allemagne) et Moritz Stolpe (Université de la Sarre, Allemagne) sur des échantillons préparés par Shuai avec l'aide de Pierre Lucas (Université de l'Arizona)."

Une autre caractéristique commune à ce petit groupe de liquides est l'existence d'un maximum de densité liquide qui est célèbre pour le cas de l'eau. Un maximum de densité suivi de près, pendant le refroidissement, par une transition métal-semiconducteur est également observée dans l'état liquide stable du tellurure d'arsenic, (As2Te3), qui est cousin germain du composant tellurure d'antimoine (Sb2Te3 ) des MCP qui se trouvent tous sur la ligne "Ovshinsky" reliant le tellurure d'antimoine (Sb2Te3 ) au tellurure de germanium (GeTe) dans le diagramme de phase à trois composants. Se peut-il que la physique sous-jacente de ces liquides ait une base commune ?

C'est la suggestion de Wei et de ses coauteurs que lorsque le germanium, l'antimoine et le tellure sont mélangés dans le rapport 1:2:4, (ou d'autres le long de la ligne "magique" d'Ovshinsky) à la fois les maxima de densité et les transitions métal à non-métal associées sont poussés en dessous du point de fusion et, concomitamment, la transition devient beaucoup plus nette que dans d'autres mélanges de chalcogénures.

Puis, comme dans le cas très étudié de l'eau surfondue, les fluctuations associées aux extrema de la fonction de réponse devraient donner lieu à des cinétiques de cristallisation extrêmement rapides. Dans tous les cas, l'état à haute température (maintenant l'état métallique), est le plus dense.

"Cela expliquerait beaucoup de choses, " s'enthousiasme Angell " Au dessus de la transition le liquide est très fluide et la cristallisation est extrêmement rapide, tandis qu'en dessous de la transition le liquide se raidit rapidement et retient l'amorphe, état de faible conductivité jusqu'à la température ambiante. En "bits" nanoscopiques, il reste ensuite indéfiniment stable jusqu'à ce qu'une impulsion de chaleur programmée par ordinateur lui indique de s'élever instantanément à une température où, à l'échelle de la nanoseconde, il cristallise à l'état conducteur, l'état « on ».

Lindsay Greer de l'Université de Cambridge a avancé le même argument en termes de transition liquide "fragile à fort".

Une deuxième impulsion de chaleur légèrement plus importante peut amener le "bit" instantanément au-dessus de son point de fusion, puis, sans apport de chaleur supplémentaire et contact étroit avec un substrat froid, il se trempe à une vitesse suffisante pour éviter la cristallisation et est piégé à l'état semi-conducteur, l'état "éteint".

"La haute résolution du spectromètre de temps de vol des neutrons de l'Université technique de Munich était nécessaire pour voir les détails des mouvements atomiques. La diffusion des neutrons au Heinz Maier-Leibnitz Zentrum de Garching est la méthode idéale pour rendre ces mouvements visibles, " déclare Zach Evenson.