Mit Licht Informationen speichern: Wie geht das?

Die dauerhafte Speicherung von Informationen kann durch Lichtstimulation mit neuen photoferroelektrischen Materialien erfolgen. Die Idee ist die Entwicklung leistungsstarker und vielseitiger Speichergeräte, um die aktuellen Herausforderungen zu bewältigen. Josep Fontcuberta und seine Mitarbeiter veröffentlichten die Ergebnisse der Studie in „Nature Communications“. Die Studie ebnet den Weg zu weiteren Untersuchungen dieses Phänomens und zu neuromorphen Computeranwendungen.

Subtile Effekte von Licht

Ein Material mit Licht bestrahlen und dessen Eigenschaften steuern? Wird Material der Sonne ausgesetzt, steigt seine Temperatur. Licht hat noch subtilere Effekte. In einem ansonsten isolierenden Material können Lichtphotonen Paare von freien Ladungsträgern erzeugen. Darin besteht das Grundprinzip der Photovoltaik-Paneele zur Gewinnung elektrischer Energie aus Sonne.

Für eine effizientere Speicherung von Informationen, einen schnelleren Zugriff und eine bessere Verarbeitung können lichtinduzierte Veränderungen von Material in Speichergeräten genutzt werden. Das ist eine neue Herausforderung in der Gesellschaft. Kommerziell erhältliche elektronische Geräte sollen leistungsstark und gleichzeitig energieeffizient sein. Das Ziel sind kleinere Geräte mit einem geringeren Energieverbrauch und einer höheren Leistung.

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Nichtflüchtiger Speicher als Herausforderung

Forscher der Gruppe Multifunctional Thin Films and Complex Structures (MULFOX) am ICMAB haben in Bauelemente integrierte photoresponsive ferroelektrische Materialien untersucht, die Quanteneffekte und Nanotechnologien nutzen. Die Speicherelemente sollen nichtflüchtige Informationen in unterschiedlichen Widerstandszuständen (Ein/Aus) speichern. Beim richtigen Design kann der elektrische Widerstand durch gepulstes Licht verändert werden. Allein durch Lichtimpulse können diese Elemente von einem niederohmigen in einen hochohmigen Zustand umschalten.

Der Co-Autor der Studie, ICMAB-Forscher Ignasi Fina, sagt, dass Materialien, die unter Beleuchtung Widerstandsveränderungen zeigen, reichlich vorhanden sind, trotzdem dieser Effekt flüchtig ist und die Materialien nach einer gewissen Zeit in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Für Geräte in der Datenverarbeitung und -speicherung ist die nichtflüchtige Kontrolle des elektrischen Widerstands von Interesse. Nichtflüchtig bedeutet, dass die Informationen auch nach dem Abschalten des Stroms im Gerät erhalten und gespeichert werden können.

Zwei in einem: Photo-ferroelektrische Materialien

Zur Nutzung optischer Signale für die nichtflüchtige Datenspeicherung sind ein optoelektronischer Sensor und ein Speichergerät erforderlich. Diese Eigenschaften sind in der ICMAB-Studie in nur einem Material vereint: Ein photoferroelektrisches Material kann durch gepulstes Licht seinen Widerstand modulieren.

Ferroelektrische Materialien haben eine spontane, elektrisch schaltbare, nicht flüchtige elektrische Polarisation. Werden ultradünne Filme aus solchem Material zwischen geeigneten Materialien eingebettet, tritt ein Tunnelstrom als quantenmechanischer Effekt auf. Ein Ladungsstrom fließt durch diesen Effekt durch eine ferroelektrische Schicht.
Ein elektrisches Feld schreibt in den Geräten Ein-/Aus-Zustände und wird zur Förderung des Ein-/Aus-Zustandswechsels mit einem optischen Stimulus kombiniert. Der Widerstand kann reversibel moduliert werden.

Energieeffiziente Geräte und Anwendungen

Aus zwei wichtigen Gründen sind die Geräte energieeffizient. Da kein Ladestrom fließen muss, wird der Energieverbrauch beim Schreiben des Speicherzustands reduziert. Informationen müssen nicht neu geschrieben werden, da sie nichtflüchtig gespeichert werden und der Zustand erhalten bleibt.
 
Da sich der beobachtete optische Schalter nicht auf die untersuchten Materialien beschränkt, ermöglicht er weitere Untersuchungen zu diesem Phänomen. Die untersuchten Geräte kombinieren Lichtsensor- und Speicherfunktionen. Das Gerät verhält sich wie ein Memristor, bei dem es sich um ein Bauelement handelt, das abhängig vom Stimulus mehrere Widerstandszustände anzeigen kann. Als grundlegendes Bauelement für die Entwicklung neuromorpher Computersysteme kann es bei der Anwendung in neuromorphen Bildverarbeitungssystemen lernen, Bilder zu erkennen.

Quelle: natur.com

Bildquelle: ICMAB

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