Поэтому Евгений Цымбал с оттенком иронии предложил свое объяснение технологического чуда - подвижных, покрытых данными стен шириной всего в несколько атомов, - которое в конечном итоге может помочь компьютерам вести себя более как мозг.

"Были получены однозначные доказательства того, что за это ответственны кислородные вакансии", - сказал Цимбал, профессор физики и астрономии Университета Джорджа Холмса в Университете Небраски-Линкольн.

В партнерстве с коллегами из Китая и Сингапура Цимбал и несколько выпускников Husker продемонстрировали, как создавать, контролировать и объяснять лишенные кислорода стенки из наноскопически тонкого материала, подходящего для электроники следующего поколения.

В отличие от большинства цифровых технологий записи и считывания данных, которые используют только двоичный код из единиц и 0, эти стены могут разговаривать на нескольких электронных диалектах, что может позволить устройствам, в которых они размещены, хранить еще больше данных. Подобно синапсам в мозге, прохождение электрических импульсов, посылаемых через стенки, может зависеть от того, какие сигналы проходили через них ранее, что придает им адаптивность и энергоэффективность, более схожие с человеческой памятью. И подобно тому, как мозг сохраняет воспоминания, даже когда его пользователи спят, стены могут сохранять состояние своих данных, даже если их устройства выключаются - предшественник электроники, которая включается со скоростью и простотой света.

Команда исследовала разрушающие барьеры стенки в наноматериале, названном ферритом висмута, который можно нарезать в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Феррит висмута также может похвастаться редким качеством, известным как сегнетоэлектричество: поляризацию, или разделение, его положительных и отрицательных электрических зарядов можно изменить, приложив всего лишь небольшое напряжение, записав при этом 1 или 0. В отличие от обычной DRAM, динамической памяти с произвольным доступом, которую необходимо обновлять каждые несколько миллисекунд, значение 1 или 0 остается даже при снятии напряжения, что обеспечивает эквивалент долговременной памяти, которой не хватает DRAM.

Обычно эта поляризация считывается как 1 или 0 и переворачивается, чтобы переписать ее как 0 или 1, в области материала, называемой доменом. Два противоположно поляризованных домена встречаются, образуя стену, которая занимает лишь часть пространства, отведенного самим доменам. Толщина этих стенок в несколько атомов и необычные свойства, которые иногда проявляются внутри них или вокруг них, делают их главными подозреваемыми в поиске новых способов втиснуть еще больше функциональности и места для хранения в уменьшающиеся устройства.

Тем не менее, стены, которые проходят параллельно поверхности сегнетоэлектрического материала и создают электрический заряд, пригодный для обработки и хранения данных, оказалось трудно найти, не говоря уже о регулировании или создании. Но около четырех лет назад Цимбал начал беседовать с Цзиншэн Ченом из Национального университета Сингапура и Хэ Тянем из Китайского Чжэцзянского университета. В то время Тянь и некоторые коллеги были пионерами техники, которая позволяла им подавать напряжение в атомном масштабе, даже когда они регистрировали атом за атомом перемещения и динамику в режиме реального времени.

В конечном счете команда обнаружила, что при подаче всего 1,5 вольт на пленку феррита висмута образуется доменная стенка, параллельная поверхности материала, - стенка с определенным сопротивлением электричеству, значение которой можно считать состоянием данных. Когда напряжение было снято, стена и ее состояние данных остались.

Когда команда увеличила напряжение, доменная стенка начала мигрировать вниз по материалу, поведение, наблюдаемое в других сегнетоэлектриках. Однако, в то время как стенки из тех других материалов затем распространялись перпендикулярно поверхности, этот оставался параллельным. И в отличие от любого из своих предшественников, стена приняла ледниковый темп, перемещая всего один атомный слой за раз. Его положение, в свою очередь, соответствовало изменениям в его электрическом сопротивлении, которое снижалось в три отдельных этапа - три более удобочитаемых состояния данных - которые возникали между подачей напряжения 8 и 10 вольт.

Исследователи определили несколько "что", "где" и "когда", имеющих решающее значение для того, чтобы в конечном итоге использовать это явление в электронных устройствах. Но им все еще не хватало одного. Цимбал, как оказалось, был одним из немногих людей, имеющих право обратиться к нему.

"Там была загадка", - сказал Цимбал. "Почему это происходит? И вот тут-то и помогла теория".

Большинство доменных стенок электрически нейтральны, не обладая ни положительным, ни отрицательным зарядом. На то есть веские причины: нейтральная стена требует мало энергии для поддержания своего электрического состояния, что фактически делает ее стандартной. Доменная стенка, которую команда идентифицировала в ультратонком феррите висмута, напротив, обладала значительным зарядом. И это, как знал Цимбал, должно было помешать ему стабилизироваться и сохраниться. И все же каким-то образом ему удавалось делать именно это, казалось, попирая правила физики конденсированного состояния.

Должно было быть какое-то объяснение. В своем предыдущем исследовании Цимбал и его коллеги обнаружили, что уход отрицательно заряженных атомов кислорода и положительно заряженных вакансий, которые они оставляют после себя, могут препятствовать технологически полезному результату. На этот раз расчеты Цимбала, подкрепленные теорией, предполагали обратное - что положительно заряженные вакансии компенсировали другие отрицательные заряды, накапливающиеся на стенке, существенно укрепляя ее в процессе.

Экспериментальные измерения, проведенные командой позже, показали, что распределение зарядов в материале почти точно соответствовало расположению доменной стенки, точно так, как предсказывали расчеты. По словам Цимбала, если кислородные вакансии обнаружатся в других сегнетоэлектрических конструкциях, они могут оказаться жизненно важными для лучшего понимания и проектирования устройств, которые включают в себя ценный класс материалов.

"С моей точки зрения, это было самым захватывающим", - сказал Цимбал, который провел исследование при поддержке университетского квантово-ориентированного проекта EQUATE. "Это связывает сегнетоэлектричество с электрохимией. У нас есть своего рода электрохимические процессы, а именно движение кислородных вакансий, которые в основном управляют движением этих доменных стенок.

"Я думаю, что этот механизм очень важен, потому что то, что делает большинство людей - включая нас, теоретически - это смотрит на первозданные материалы, где поляризация переключается вверх и вниз, и изучает, что происходит с сопротивлением. Все экспериментальные интерпретации этого поведения были основаны на этой простой картине поляризации. Но здесь дело не только в поляризации. Это включает в себя некоторые химические процессы внутри него".

Команда подробно описала свои выводы в журнале Природа. Цимбал, Тянь и Чен были авторами исследования вместе с Цзе Чжаном, Чжунран Лю, Хань Вангом, Хунъян Ю, Юйсюань Ван, Сиюань Хун, Мэн Чжан, Чжаохуэй Жэнь и Яньву Се, а также выпускниками Husker Мин Ли, Линлин Тао и Тулой Паудель.