Έχετε νιώσει το κινητό να ζεσταίνεται μετά από έντονη χρήση ή έχετε δει την μπαταρία να πέφτει την πιο ακατάλληλη στιγμή; Ένας βασικός λόγος είναι τα ηλεκτρονικά κυκλώματα και η μνήμη στο εσωτερικό της συσκευής, που καταναλώνουν ενέργεια και αποβάλλουν θερμότητα όταν λειτουργούν.
Στον πυρήνα της, η μνήμη υπολογιστών αποθηκεύει πληροφορία ως 0 και 1 ελέγχοντας πόσο εύκολα περνά το ρεύμα μέσα από ένα υλικό. Αν οι επιστήμονες σχεδιάσουν μνήμη που απαιτεί πολύ λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια, θα μπορούσαν να μειώσουν θεαματικά την κατανάλωση σε τηλέφωνα, υπολογιστές και άλλες συσκευές.
Μια ιδέα για να λυθεί αυτό το πρόβλημα προτάθηκε το 1971: η ferroelectric tunnel junction (FTJ). Αυτός ο τύπος μνήμης βασίζεται στη φερροηλεκτρικότητα, δηλαδή στην ικανότητα ενός υλικού να αλλάζει την εσωτερική του ηλεκτρική πόλωση. Όταν η πόλωση μεταβάλλεται, επηρεάζει το πόσο εύκολα ρέει το ρεύμα, επιτρέποντας στη συσκευή να αποθηκεύει δεδομένα.
Παρά τις υποσχέσεις, τα παραδοσιακά υλικά για αυτού του είδους τη μνήμη δυσκολεύονταν όσο οι διαστάσεις μειώνονταν. Η απόδοση συχνά έπεφτε με τη σμίκρυνση, περιορίζοντας την εξέλιξη της τεχνολογίας.
Το 2011 σημειώθηκε μια καθοριστική πρόοδος: διαπιστώθηκε ότι το οξείδιο του αφνίου, ένα ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό, μπορεί να διατηρήσει την ηλεκτρική του πόλωση ακόμη και σε εξαιρετικά μικρά πάχη. Βασιζόμενος σε αυτό, ο καθηγητής Yutaka Majima και η ομάδα του στο Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) επιχείρησαν να αναπτύξουν μια εξαιρετικά μικρή διάταξη μνήμης, μόλις 25 νανομέτρων σε διάμετρο, περίπου το ένα τρισχιλιοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας.
Η σμίκρυνση σε αυτή την κλίμακα φέρνει ένα μεγάλο εμπόδιο: το ηλεκτρικό ρεύμα τείνει να διαρρέει από τα όρια ανάμεσα στους μικροσκοπικούς κρυστάλλους του υλικού, κάτι που για χρόνια φρέναρε τη μικρογράφηση.
Οι ερευνητές ακολούθησαν διαφορετική τακτική. Έκαναν τη διάταξη ακόμη μικρότερη, μειώνοντας έτσι την επίδραση αυτών των ορίων. Παράλληλα, ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο κατασκευής: θέρμαναν τα ηλεκτρόδια ώστε να αποκτήσουν φυσικά ημικυκλικό σχήμα. Η δομή που προέκυψε προσεγγίζει τον μονοκρύσταλλο, με λιγότερα όρια όπου μπορεί να εμφανιστεί διαρροή.
Συνδυάζοντας αυτή την αρχιτεκτονική με την ακραία σμίκρυνση, η ομάδα πέτυχε υψηλή απόδοση. Ακόμη σημαντικότερο, έδειξε κάτι απρόσμενο: η μνήμη αποδίδει καλύτερα όσο μικραίνει, ανατρέποντας μια παγιωμένη παραδοχή στα ηλεκτρονικά.
Αν η τεχνολογία περάσει στην πράξη, οι επιπτώσεις θα είναι εκτεταμένες. Συσκευές όπως τα smartwatches θα μπορούσαν να λειτουργούν για μήνες με μία φόρτιση, ενώ δίκτυα από συνδεδεμένους αισθητήρες ίσως να μη χρειάζονται συχνές αλλαγές μπαταριών.
Στην τεχνητή νοημοσύνη, τέτοιου τύπου μνήμη θα μπορούσε να υποστηρίξει ταχύτερη επεξεργασία με πολύ μικρότερη κατανάλωση. Και επειδή το οξείδιο του αφνίου είναι ήδη συμβατό με υπάρχουσες γραμμές παραγωγής ημιαγωγών, η ενσωμάτωση σε καθημερινά ηλεκτρονικά θα μπορούσε να γίνει σχετικά γρήγορα.
«Το να αμφισβητείς αυτό που φαίνεται ως όρια της επιστήμης — όπως “δεν μπορούμε να τα κάνουμε μικρότερα” ή “θα σπάσουν αν το κάνουμε” — είναι σαν να περπατάς στο σκοτάδι. Είναι ένας συνεχής αγώνας. Ωστόσο, αμφισβητώντας τις παραδοσιακές παραδοχές και εξερευνώντας νέους τρόπους για να ξεπεράσουμε αυτά τα εμπόδια, μπορέσαμε να ανακαλύψουμε μια εντελώς νέα οπτική. Θα ήμουν ευτυχής αν αυτό το επίτευγμα εξάψει την περιέργεια των νέων που θα διαμορφώσουν το μέλλον και βοηθήσει να χτίσουμε έναν καλύτερο κόσμο.» — Yutaka Majima, Professor, Materials and Structures Laboratory, Institute of Integrated Research, Institute of Science Tokyo.
Υλικό από το Science Tokyo. Σημ.: Το περιεχόμενο μπορεί να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.
