Браунмиллерит открывает пути для создания субатомной памяти
Природа нередко подсказывает ученым решения сложных технологических задач. Очередной пример такого вдохновения — открытие уникальных сегнетоэлектрических свойств в минерале браунмиллерите, которое может совершить революцию в области хранения данных.
Современные электронные устройства сталкиваются с фундаментальным ограничением: чем меньше размер доменов памяти, тем выше плотность хранения информации, но коллективные атомные колебания в сегнетоэлектриках мешают их дальнейшей миниатюризации. Исследовательская группа под руководством профессора Си-Ён Чоя из POSTECH, объединив усилия с коллегами из Пусанского национального университета и Университета Сонгюнгван, обнаружила, что браунмиллерит благодаря своей слоистой структуре демонстрирует фононную развязку — редкое явление, позволяющее управлять доменами на субатомном уровне. Это открытие, опубликованное в престижном журнале Nature Materials, открывает путь к созданию памяти нового поколения, которая будет в десятки раз компактнее и быстрее существующих аналогов.
Структура браунмиллерита и фононная развязка
Браунмиллерит привлек внимание ученых своей необычной слоистой структурой, напоминающей сэндвич с чередующимися слоями: тетраэдрические (FeO₄) и октаэдрические (FeO₆) железо-кислородные комплексы. Ключевым открытием стало то, что в этом минерале тетраэдрические и октаэдрические слои ведут себя независимо при колебаниях атомов.

Обычно фононы — кванты колебаний атомов — вызывают коллективное движение соседних структур, что затрудняет локальное управление доменами. Однако в браунмиллерите тетраэдрические слои могут вибрировать, практически не влияя на октаэдрические. Это явление, названное фононной развязкой, позволяет избирательно воздействовать электрическим полем только на тетраэдрические слои, изменяя их атомную конфигурацию и создавая домены памяти нанометрового масштаба.
Экспериментальное подтверждение и практическое применение
Исследователи подтвердили этот эффект в различных формах браунмиллерита, включая тонкие пленки SrFeO₂.₅ и CaFeO₂.₅, а также монокристаллы CaFeO₂.₅. Эксперименты с использованием методов спектроскопии и микроскопии высокого разрешения показали, что приложение электрического поля действительно изменяет атомные позиции исключительно в тетраэдрических слоях, оставляя октаэдрические без изменений. На основе этого принципа команда разработала прототипы сегнетоэлектрических конденсаторов и тонкопленочных транзисторов, доказав возможность практического использования браунмиллерита в микроэлектронике.
Перспективы для технологий будущего
Коммерциализация этой технологии способна привести к прорыву в производстве запоминающих устройств. Уменьшение размеров доменов до субатомного уровня позволит создавать чипы памяти с беспрецедентной плотностью записи, что критически важно для развития искусственного интеллекта, квантовых вычислений и автономных систем. Например, смартфоны и компьютеры могут получить память, в десятки раз более емкую и быструю, чем современные SSD и DRAM. Кроме того, низкое энергопотребление сегнетоэлектриков делает их идеальными кандидатами для экологически устойчивой электроники.
Как отметил профессор Си-Ён Чой, это исследование — яркий пример того, как природные материалы могут предложить решения для технологических барьеров. Браунмиллерит, долгое время остававшийся на периферии научного интереса, оказался ключом к преодолению ограничений микроэлектроники. Дальнейшее изучение подобных минералов и их аналогов может раскрыть новые пути для создания материалов с управляемыми свойствами, ускоряя переход к эре сверхбыстрой и компактной электроники.