Ето защо хафният е тайната съставка в компютърната памет на бъдещето

Как един нов материал на основата на хафний преодолява ограниченията на съществуващите видове памет и открива нови възможности за компютрите.

Пробив в изследванията на хафния отваря врати за създаването на свръхбърза, ефективна и евтина компютърна памет. Учените са разработили нови методи за използване на фероелектричните свойства на хафния. Те могат значително да подобрят бързодействието на високопроизводителните компютри.

През изтеклото десетилетие учени и инженери активно търсят начини за използване на фероелектричния материал от хафниев оксид. Той е необходим за създаването на съвсем ново поколение компютърна памет. Екип от изследователи, включващ Собхит Сингх от Университета в Рочестър, публикува изследване в Proceedings of the National Academy of Sciences. То показва големия напредък в създаването на масов фероелектричен и антифероелектричен хафний за използване в различни приложения.

Хафният в определена кристална фаза има фероелектрични свойства. Тоест способност е да променя електрическата си поляризация, когато е изложен на външно електрическо поле. Това може да се използва в технологиите за съхранение на данни. Предимството на фероелектричната памет е, че тя не е нестабилна и запазва данните дори при прекъсване на електрозахранването. Това я отличава от повечето съществуващи видове памет.

Сингх, асистент в катедрата по машинно инженерство, отбелязва:

„Хафният е изключително интересен материал поради възможността за неговото практическо приложение в компютърните технологии, особено за съхранение на данни. Сегашните магнитни форми на памет са бавни, енергоемки и неефективни. Фероелектричните форми на памет са надеждни, свръхбързи, евтини за производство и по-енергийно ефективни“.

Доскоро обаче учените можеха да постигнат метастабилното фероелектрично състояние на хафния само когато той беше подложен на натиск като двуизмерен тънък филм с дебелина от порядъка на нанометри. През 2021 г. екип от учени от Университета Рутгерс успя да стабилизира хафния в метастабилното му фероелектрично състояние чрез допиране на материала с итрий и бързото му охлаждане. Този метод обаче имаше недостатъци, тъй като изискваше голямо количество итрий, който внасяше много примеси и нарушения в кристалната решетка на материала.

В новото изследване Сингх показва, че прилагането на значително налягане може да стабилизира хафниевия материал в метастабилните му фероелектрични и антифероелектрични състояния. Това открива нови възможности за прилагането му в технологиите за съхранение от следващо поколение. Експериментите с високо налягане, проведени от екипа на професор Джанис Масфелд в Университета на Тенеси в Ноксвил, потвърждават, че при прогнозираното налягане материалът навлиза в метастабилната фаза и остава в нея дори след премахване на налягането.

Този нов подход изисква наполовина по-малко итрий като стабилизатор, което значително подобрява качеството и чистотата на получените хафниеви кристали. Сега учените възнамеряват да използват все по-малко итрий, за да произвеждат фероелектричен хафний в големи количества за широка употреба.

Поради нарастващия интерес към хафния заради уникалните му фероелектрични свойства Сингх ще организира сесия за материала на предстоящата среща на Американското физическо общество през март 2024 г.