Почему гафний - секретный ингредиент компьютерной памяти будущего

Прорыв в исследованиях гафния открывает двери к созданию сверхбыстрой, эффективной и недорогой компьютерной памяти. Ученые разработали новые методы использования ферроэлектрических свойств гафния, что может существенно улучшить характеристики высокопроизводительных вычислений.

За последнее десятилетие ученые и инженеры активно искали способы использования ферроэлектрического материала оксида гафния, известного как гафния, для создания нового поколения памяти компьютеров. Группа исследователей, включая Собхита Сингха из Университета Рочестера, опубликовала исследование в Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрирующее прогресс в создании массового ферроэлектрического и антиферроэлектрического гафния для использования в различных приложениях.

Гафния в определенной кристаллической фазе обладает ферроэлектрическими свойствами, то есть способностью изменять электрическую поляризацию под воздействием внешнего электрического поля, что может быть использовано в технологиях хранения данных. Ферроэлектрическая память имеет преимущество неволатильности, сохраняя данные даже при отключении питания, что выгодно отличает ее от большинства существующих типов памяти.

Сингх, ассистент кафедры машиностроения, отмечает: "Гафния – чрезвычайно интересный материал из-за его практического применения в компьютерных технологиях, особенно для хранения данных. Современные магнитные формы памяти медленные, требуют много энергии и неэффективны. Ферроэлектрические формы памяти надежны, сверхбыстры, дешевы в производстве и более энергоэффективны."

Тем не менее, до недавнего времени ученые могли достичь метастабильного ферроэлектрического состояния гафния только при его напряжении в виде тонкой двумерной пленки нанометровой толщины. В 2021 году команда ученых из Университета Ратгерса смогла стабилизировать гафния в его метастабильном ферроэлектрическом состоянии, легировав материал иттрием и быстро охладив его. Этот метод, однако, имел недостатки, так как требовал большого количества иттрия, что вносило много примесей и нарушений в кристаллическую решетку материала.

В новом исследовании Сингх показал, что применение значительного давления позволяет стабилизировать материал гафния в его метастабильных ферроэлектрическом и антиферроэлектрическом состояниях, что открывает новые возможности для его применения в технологиях хранения данных следующего поколения. Эксперименты под высоким давлением, проведенные командой профессора Дженис Масфелдт из Университета Теннесси в Ноксвилле, подтвердили, что при предсказанном давлении материал переходит в метастабильную фазу и остается в ней даже после снятия давления.

Этот новый подход требует вдвое меньше иттрия в качестве стабилизатора, значительно улучшая качество и чистоту выращенных кристаллов гафния. Теперь ученые намерены использовать все меньше иттрия для производства ферроэлектрического гафния в больших объемах для широкого использования.

В связи с возрастающим интересом к гафнию из-за его уникальных ферроэлектрических свойств, Сингх организует сессию, посвященную этому материалу, на предстоящей встрече Американского физического общества в марте 2024 года.