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 SpeichergerĂ€te, um die aktuellen Herausforderungen zu bewĂ€ltigen. Josep Fontcuberta und seine Mitarbeiter veröffentlichten die Ergebnisse der Studie in „Nature Communications“. Die Studie ebnet den Weg zu weiteren Untersuchungen dieses PhĂ€nomens 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 LadungstrÀgern erzeugen. Darin besteht das Grundprinzip der Photovoltaik-Paneele zur Gewinnung elektrischer Energie aus Sonne.

FĂŒr eine effizientere Speicherung von Informationen, einen schnelleren Zugriff und eine bessere Verarbeitung können lichtinduzierte VerĂ€nderungen von Material in SpeichergerĂ€ten genutzt werden. Das ist eine neue Herausforderung in der Gesellschaft. Kommerziell erhĂ€ltliche elektronische GerĂ€te sollen leistungsstark und gleichzeitig energieeffizient sein. Das Ziel sind kleinere GerĂ€te mit einem geringeren Energieverbrauch und einer höheren Leistung.

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NichtflĂŒchtiger 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 nichtflĂŒchtige Informationen in unterschiedlichen WiderstandszustĂ€nden (Ein/Aus) speichern. Beim richtigen Design kann der elektrische Widerstand durch gepulstes Licht verĂ€ndert 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 WiderstandsverĂ€nderungen zeigen, reichlich vorhanden sind, trotzdem dieser Effekt flĂŒchtig ist und die Materialien nach einer gewissen Zeit in ihren Ausgangszustand zurĂŒckkehren. FĂŒr GerĂ€te in der Datenverarbeitung und -speicherung ist die nichtflĂŒchtige Kontrolle des elektrischen Widerstands von Interesse. NichtflĂŒchtig bedeutet, dass die Informationen auch nach dem Abschalten des Stroms im GerĂ€t erhalten und gespeichert werden können.

Zwei in einem: Photo-ferroelektrische Materialien

Zur Nutzung optischer Signale fĂŒr die nichtflĂŒchtige Datenspeicherung sind ein optoelektronischer Sensor und ein SpeichergerĂ€t 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 flĂŒchtige elektrische Polarisation. Werden ultradĂŒnne 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 GerÀten Ein-/Aus-ZustÀnde und wird zur Förderung des Ein-/Aus-Zustandswechsels mit einem optischen Stimulus kombiniert. Der Widerstand kann reversibel moduliert werden.

Energieeffiziente GerÀte und Anwendungen

Aus zwei wichtigen GrĂŒnden sind die GerĂ€te energieeffizient. Da kein Ladestrom fließen muss, wird der Energieverbrauch beim Schreiben des Speicherzustands reduziert. Informationen mĂŒssen nicht neu geschrieben werden, da sie nichtflĂŒchtig gespeichert werden und der Zustand erhalten bleibt.
 
Da sich der beobachtete optische Schalter nicht auf die untersuchten Materialien beschrĂ€nkt, ermöglicht er weitere Untersuchungen zu diesem PhĂ€nomen. Die untersuchten GerĂ€te kombinieren Lichtsensor- und Speicherfunktionen. Das GerĂ€t verhĂ€lt sich wie ein Memristor, bei dem es sich um ein Bauelement handelt, das abhĂ€ngig vom Stimulus mehrere WiderstandszustĂ€nde anzeigen kann. Als grundlegendes Bauelement fĂŒr 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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