Forskare har använt en avancerad modell för att i oöverträffad detalj simulera hur "motståndsomkopplande celler" fungerar som kan ersätta konventionellt minne för elektroniktillämpningar, med potential att ge snabbare och högre kapacitet datorminne samtidigt som den förbrukar mindre energi.

Dessa elektromekaniska "metalliseringsceller" växlar snabbt från högt motstånd till lågt motstånd - en tvåtillståndsoperation som skulle kunna användas för att representera ettorna och nollorna i den binära koden som behövs för att utföra programvarukommandon och lagra information i datorer.

Forskare vid Purdue University utvecklade en ny metod för att simulera de elektrokemiska processer som styr verksamheten med atomistisk detalj. Forskarna använde modellen för att simulera prestandan hos en typ av motståndsomkopplande celler som även kallas ledande bryggceller.

"Trots deras betydelse, mekanismerna som styr deras anmärkningsvärda egenskaper har varit dåligt förstått, begränsa vår förmåga att bedöma den ultimata prestandan och potentialen för kommersialisering, sa Alejandro Strachan, professor i materialteknik vid Purdue. "Nu, en mekanistisk förståelse på atomär nivå av växlingsprocessen ger nya riktlinjer för materialoptimering."

De motståndsomkopplande cellerna övervägs som en möjlig ersättning för nuvarande icke-flyktiga minne, som håller på att nå sina tekniska gränser och kan även användas för logiska tillämpningar. De ledande överbryggande cellerna kan växla på några nanosekunder - vilket gör dem potentiellt kapabla till ultrasnabb drift - och de är extremt små, möjligen möjliggöra mer kompakt, kraftfullt datorminne, sa Strachan.

Resultaten är detaljerade i en forskningsartikel som visas denna vecka i tidskriften Naturmaterial . Uppsatsen skrevs av Purdue postdoktorale forskningsassistent Nicolas Onofrio, doktorand David Guzman och Strachan.

Enheterna innehåller två metalliska elektroder separerade av ett dielektrikum, eller isoleringsmaterial. När en spänning appliceras, den aktiva elektroden - gjord av koppar i detta fall - löses upp i dielektrikumet och jonerna börjar röra sig mot den inaktiva elektroden. Dessa joner bildar så småningom en ledande filament som förbinder de två elektroderna, minskar det elektriska motståndet. När spänningen vänds, filamenten går sönder, växla tillbaka till högresistanstillståndet. En animerad gif som visas i den här videon skildrar handlingen:

Forskarna kunde för första gången simulera vad som händer vid enheternas faktiska nanoskalastorlek och tidsregimer, ger ny information om hur filamenten bildas och går sönder. Fynden ger nya insikter om de elektrokemiska reaktionerna som leder till bildandet av filamenten och deras uppdelning, förutsäga den ultrasnabba drift som observerats i tidigare experiment med större enheter, med att byta så snabbt som några nanosekunder.

Framväxten av sådana avancerade simuleringar gör det möjligt att förutsäga det exakta beteendet och prestandan hos nya enheter innan de har konstruerats, ett mål för Materials Genome Initiative som bildades 2011.

"Målet med MGI är att upptäcka, utveckla och distribuera material dubbelt så snabbt till halva kostnaden, ", sa Strachan. "Nu tar det 20 år från det att vi upptäcker ett material i ett labb tills vi lägger det i en produkt, och det är för långt. Vi förutser att de kommande decennierna kommer att bevittna en revolution med införlivandet av flerskalig simulering och experiment som leder till dramatiska prestandavinster och minskning av utvecklingskostnader och tid."

Forskningen är baserad på Birck Nanotechnology Center i Purdues Discovery Park och är ansluten till Network for Computational Nanotechnology, Center for Predictive Materials and Devices (c-PRIMED) och nanoHUB. Simuleringarna utförs med hjälp av superdatorer genom Information Technology vid Purdues (ITaP) forskningsberäkningsavdelning.

Detta arbete stöddes av FAME Center, en av sex centra för STARnet, ett Semiconductor Research Corporation-program sponsrat av MARCO och DARPA och av U.S. Department of Energys National Nuclear Security Administration.

Framtida arbete kommer att involvera forskning för att hitta bättre material för enheterna.