Самая тонкая технология в мире — всего два атома толщиной

Исследователи из Тель-Авивского университета создали самую маленькую в мире технологию хранения информации толщиной всего в два атома. По словам исследователей, новая технология предлагает способ хранения информации в самом тонком устройстве, известном науке, в одном из самых стабильных и инертных материалов в природе. Квантово-механическое туннелирование электронов через атомарно тонкую пленку может ускорить процесс считывания информации по сравнению с современными технологиями.

«Наши исследования основаны на любопытстве по поводу поведения атомов и электронов в твердых материалах, что привело к появлению многих технологий, поддерживающих наш современный образ жизни», — говорят ученые.

«Мы (и многие другие ученые) пытаемся понять, предсказать и даже контролировать удивительные свойства этих частиц, когда они конденсируются в упорядоченную структуру, которую мы называем кристаллом. В основе компьютера, например, лежит крошечный кристалл — устройство, предназначенное для переключения между двумя состояниями, указывающими на разные ответы — «да» или «нет», «вверх» или «вниз» и т. д. Без этой дихотомии невозможно кодировать и обрабатывать информацию. Практическая задача состоит в том, чтобы найти механизм, который позволил бы переключиться на небольшое, быстрое и недорогое устройство».

Современные устройства состоят из крошечных кристаллов, содержащих всего около миллиона атомов (около сотни атомов в высоту, ширину и толщину), так что миллион таких устройств можно примерно миллион раз втиснуть в область размером с монету, при этом каждое устройство переключается со скоростью около миллиона раз в секунду.

После технологического прорыва исследователям впервые удалось уменьшить толщину кристаллических устройств до двух атомов. Ученые подчеркивает, что такая тонкая структура позволяет памяти, основанной на квантовой способности электронов, быстро и эффективно преодолевать барьеры толщиной всего в несколько атомов. Таким образом, это может значительно улучшить электронные устройства с точки зрения скорости, плотности и энергопотребления.

В исследовании использовался двумерный материал: слои бора и азота толщиной в один атом, расположенные в повторяющейся гексагональной структуре. В эксперименте ученым удалось нарушить симметрию этого кристалла, искусственно соединив два таких слоя.

«В своем естественном трехмерном состоянии этот материал состоит из большого количества слоев, расположенных друг над другом, причем каждый слой повернут на 180 градусов относительно своих соседей (антипараллельная конфигурация)», — говорят ученые.

«В лаборатории мы смогли искусственно сложить слои в параллельную конфигурацию без вращения, что гипотетически помещает атомы одного вида в идеальное перекрытие, несмотря на силу отталкивания между ними (возникающую из-за их одинаковых зарядов). На самом деле однако кристалл предпочитает слегка сдвигать один слой по отношению к другому, так что только половина атомов каждого слоя полностью перекрывается, а те, которые перекрываются, имеют противоположные заряды, тогда как все остальные расположены выше или ниже пустого пространство — центр шестиугольника. В этой конфигурации искусственного наложения слои довольно сильно отличаются друг от друга. Например, если в верхнем слое перекрываются только атомы бора, в нижнем слое все наоборот».

«Нарушение симметрии, которое мы создали в лаборатории, которого нет в естественном кристалле, заставляет электрический заряд реорганизоваться между слоями и генерировать крошечную внутреннюю электрическую поляризацию, перпендикулярную плоскости слоя. Когда мы прикладываем внешнее электрическое поле в противоположном направлении, система скользит в боковом направлении для переключения ориентации поляризации. Переключаемая поляризация остается стабильной даже при отключении внешнего поля. В этом система похожа на толстые трехмерные сегнетоэлектрические системы, которые сегодня широко используются в технике».

Способность создавать кристаллическую и электронную структуру в такой тонкой системе с уникальными поляризационными и инверсионными свойствами, возникающими в результате слабых сил Ван-дер-Ваальса между слоями, не ограничивается кристаллами бора и азота.

Ученые ожидают такого же поведения во многих слоистых кристаллах с правильными свойствами симметрии. Концепция межслойного скольжения как оригинального и эффективного способа управления передовыми электронными устройствами очень многообещающая. Исследователи назвали ее Slide-Tronics.

M. Vizner Stern et al, Interfacial ferroelectricity by van der Waals sliding, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abe8177