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.
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
Quelle: natur.com
Bildquelle: ICMAB
