Прояснён механизм работы сверхбыстрой фазовой памяти

Группа, объединившая сотрудников Школы молекулярных наук Аризонского университета и их германских коллег из Технического университета Мюнхена и Саарландского университета, представила в онлайновом выпуске Science Advances объяснение того, почему сплав германия, сурьмы и теллура (GST) при использовании в фазовой памяти (PCM) позволяет ей работать на три порядка быстрее сегодняшней флэш-памяти, и, одновременно, значительно превосходит последнюю по циклической устойчивости.

Этот материал был открыт ещё в 1975 году, но до сих пор не нашёл приложений по парадоксальной причине — переключение между фазами кристалла и полиметаллического стекла (с жидкой интерфазой) в нём происходит настолько быстро, что не было способа контролировать этот процесс с достаточной точностью. Кроме того, механизм, делающий сверхскоростные фазовые переходы столь выраженными и воспроизводимыми, оставался плохо понятен учёным.

В вышеупомянутой публикации рассказывается о результатах исследования микроскопической динамики жидкой фазы такой PCM методом квазиупругого рассеяния нейтронов с высоким разрешением, позволяющим отслеживать движения атомов.

Авторы установили, что при смешивании компонентов GST в соотношении 1:2:4, максимум плотности материала, достигаемый при его охлаждении, сдвигается ниже точки плавления. Именно из-за этого переход становится более резким, чем в других смесях халькогенидов, где предшествующий изменению фазы максимум плотности достигается в жидком состоянии. Как и в хорошо изученном случае переохлаждённой воды, флуктуации, ассоциируемые с экстремумами функции отклика, приводят к чрезвычайно быстрой кинетике кристаллизации.

«Это объясняет многое, — говорят авторы. — Над переходом (на диаграмме состояния) жидкость очень жидкая, и кристаллизация происходит очень быстро, а ниже перехода жидкость быстро застывает и сохраняет аморфное состояние с низкой электропроводностью вплоть до комнатной температуры. В наноскопических «битах» оно остается стабильным как угодно долго, пока тепловой импульс по команде компьютера не нагреет материал мгновенно до температуры, при которой он за наносекунды кристаллизуется в проводящее состояние «Вкл»».

Второй, немного более мощный тепловой импульс, мгновенно поднимает «бит» выше точки плавления. После этого, не получая больше энергии и находясь в контакте с холодной подложкой, металл застывает достаточно стремительно, чтобы избежать кристаллизации и остаться в полупроводящем (стеклянном) состоянии.