I experiment vid två nationella laboratorier vid Department of Energy – SLAC National Accelerator Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory – har forskare vid Hewlett Packard Enterprise (HPE) experimentellt bekräftat kritiska aspekter av hur en ny typ av mikroelektronisk enhet, memristor, fungerar i atomär skala.

Detta resultat är ett viktigt steg i att designa dessa solid-state-enheter för användning i framtida datorminnen som fungerar mycket snabbare, håller längre och använder mindre energi än dagens flashminne. Resultaten publicerades i februari i Avancerade material .

"Vi behöver information som denna för att kunna designa memristorer som kommer att lyckas kommersiellt, sa Suhas Kumar, en HPE-forskare och första författare på gruppens tekniska papper.

Memristorn föreslogs teoretiskt 1971 som det fjärde grundläggande elektriska elementet vid sidan av motståndet, kondensator och induktor. I dess hjärta finns en liten bit av en övergångsmetalloxid inklämd mellan två elektroder. Genom att applicera en positiv eller negativ spänningspuls ökar eller minskar memristorns elektriska resistans dramatiskt. Detta beteende gör det lämpligt att använda som ett "icke-flyktigt" datorminne som, som flashminne, kan behålla sitt tillstånd utan att fräschas upp med ytterligare kraft.

Under det senaste decenniet, en HPE-grupp ledd av seniorkollegan R. Stanley Williams har utforskat memristordesigner, material och beteende i detalj. Sedan 2009 har de använt intensiva synkrotronröntgenstrålar för att avslöja atomernas rörelser i memristorer under byte. Trots framsteg när det gäller förståelsen av detta byte, kritiska detaljer som skulle vara viktiga för att utforma kommersiellt framgångsrika kretsar förblev kontroversiella. Till exempel, krafterna som förflyttar atomerna, vilket resulterar i dramatiska motståndsförändringar under byte, förbli under debatt.

På senare år har gruppen undersökte memristorer gjorda med oxider av titan, tantal och vanadin. Inledande experiment visade att byte av tantaloxidanordningarna enklast kunde kontrolleras, så det valdes för ytterligare utforskning vid två DOE Office of Science-användaranläggningar – SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) och Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS).

På ALS, HPE-forskarna kartlade positionerna för syreatomer före och efter byte. För detta, de använde ett röntgenmikroskop med skanningöverföring och en apparat de byggde för att exakt kontrollera positionen för sitt prov och tidpunkten och intensiteten för 500-elektronvolts ALS-röntgenstrålar, som var inställda för att se syre.

Experimenten visade att även svaga spänningspulser skapar en tunn ledande bana genom memristorn. Under pulsen värms banan upp, som skapar en kraft som driver bort syreatomer från banan, gör den ännu mer ledande. Omkastning av spänningspulsen återställer memristorn genom att suga några syreatomer tillbaka in i den ledande banan, vilket ökar enhetens motstånd. Memristorns motstånd varierar mellan 10- och 1 miljonfalt, beroende på driftsparametrar som spänningspulsamplituden. Denna motståndsförändring är tillräckligt dramatisk för att kunna utnyttjas kommersiellt.

För att vara säker på deras slutsats, forskarna behövde också förstå om tantalatomerna rörde sig tillsammans med syret under bytet. Avbildning av tantal krävde högre energi, 10, 000-elektronvolts röntgenstrålar, som de fick på SSRL:s Beam Line 6-2. I en enda session där, de bestämde att tantal förblev stationärt.

"Det förseglade affären, övertygade oss om att vår hypotes var korrekt, " sa HPE-forskaren Catherine Graves, som hade arbetat på SSRL som doktorand i Stanford. Hon tillade att diskussioner med SLAC-experter var avgörande för att vägleda HPE-teamet mot röntgentekniker som skulle göra det möjligt för dem att se tantal exakt.

Kumar sa att den mest lovande aspekten av tantaloxidresultaten var att forskarna inte såg någon försämring i att byta över mer än en miljard spänningspulser av en storlek som lämpar sig för kommersiellt bruk. Han tillade att denna kunskap hjälpte hans grupp att bygga memristorer som varade nästan en miljard växlingscykler, ungefär en tusenfaldig förbättring.

"Detta är mycket längre uthållighet än vad som är möjligt med dagens flashminnesenheter, " sade Kumar. "Dessutom, vi använde också mycket högre spänningspulser för att accelerera och observera membranfel, vilket också är viktigt för att förstå hur dessa enheter fungerar. Misslyckanden inträffade när syreatomer tvingades bort så långt att de inte återvände till sina ursprungliga positioner."

Utöver minneskretsar, Kumar säger att memristorers snabba växlingshastighet och ringa storlek kan göra dem lämpliga för användning i logiska kretsar. Ytterligare memristoregenskaper kan också vara fördelaktiga i den framväxande klassen av hjärninspirerade neuromorfa datorkretsar.

"Transistorer är stora och skrymmande jämfört med memristorer, " sa han. "Memristorer är också mycket bättre lämpade för att skapa de neuronliknande spänningsspikar som kännetecknar neuromorfa kretsar."