A modern elektronikai eszközök teljesítményét régóta korlátozza a hő, mivel nagyjából 200 Celsius-fok felett a legtöbb félvezető alapú rendszer megbízhatatlanná válik, ami komoly akadályt jelent az űripari, energetikai és ipari fejlesztésekben.

A Dél-kaliforniai Egyetem mérnökei azonban olyan új memóriaeszközt mutattak be, amely 700 Celsius-fokon is stabilan működik, vagyis olyan hőmérsékleten, amely már meghaladja az olvadt láva hőfokát.

A Science folyóiratban március 26-án közzétett tanulmányban Joshua Yang professzor és kutatócsoportja egy új típusú memrisztort ismertetett, amely a mérések során semmilyen meghibásodást nem mutatott 700 Celsius-fokon, és a felső határt valójában csak a laboratóriumi berendezések korlátozták. „Nevezhetjük forradalomnak” – fogalmazott Yang, majd hozzátette, „ez a valaha bemutatott legjobb magas hőmérsékletű memória”.

Egy nanoszkopikus méretű alkatrész

A memrisztor egy nanoszkopikus méretű alkatrész, amely egyszerre képes adatot tárolni és számításokat végezni, felépítése pedig két elektróda közé zárt vékony kerámiarétegből áll. A kutatás első szerzője, Jian Zhao a felső elektródához volfrámot használt, középre hafnium-oxid kerámiát helyezett, míg az alsó réteg grafénből készült.

A volfrám rendkívül magas olvadásponttal rendelkezik, a grafén pedig egyetlen atom vastagságú szénrétegként kivételes hő- és mechanikai ellenállásáról ismert, így az anyagkombináció rendkívüli stabilitást eredményezett.

Több mint 50 órán keresztül megőrizte az adatokat

Az eszköz több mint 50 órán keresztül megőrizte az adatokat 700 Celsius-fokon frissítés nélkül, emellett több mint egymilliárd kapcsolási ciklust viselt el ugyanilyen körülmények között, miközben mindössze 1,5 voltos feszültségen, néhány tíz nanoszekundumos sebességgel működött.

A felfedezés ugyanakkor részben véletlenül született, mivel a kutatók eredetileg egy más típusú, grafénalapú eszközt próbáltak létrehozni, amely nem a tervek szerint működött. „Őszintén szólva, véletlen volt, ahogyan a legtöbb felfedezés” – mondta Yang. „Ha előre meg tudja jósolni az ember, az általában nem meglepő, és valószínűleg nem is elég jelentős.”

A részletes vizsgálatok kimutatták

A ScienceDaily szerint a részletes vizsgálatok kimutatták, hogy a grafén kulcsszerepet játszik a hő okozta meghibásodás megakadályozásában, mivel a hagyományos eszközökben a felső elektródából származó fématomok magas hőmérsékleten lassan átvándorolnak a kerámiarétegen, majd rövidzárlatot okoznak.

A grafén és a volfrám kölcsönhatása azonban Yang hasonlatával élve olyan, mint az olaj és a víz kapcsolata, vagyis a volfrámatomok nem tudnak stabilan megtapadni a grafén felszínén, ezért nem alakul ki vezető híd a két elektróda között. A kutatók elektronmikroszkópos, spektroszkópiai és kvantumszintű szimulációs vizsgálatokkal igazolták ezt a mechanizmust, amely új irányt szabhat a jövőbeli, extrém környezetre tervezett chipek fejlesztésének.

A hőálló elektronika

Az ilyen hőálló elektronika különösen fontos lehet a Vénusz felszínének kutatásában, ahol a hőmérséklet megközelíti az 500 Celsius-fokot, és az eddigi leszállóegységek részben a szélsőséges hő miatt vallottak kudarcot.

A geotermikus rendszerek, a nukleáris és fúziós létesítmények, valamint akár az autóipari alkalmazások is profitálhatnak a technológiából, hiszen egy 700 fokra hitelesített eszköz a jóval alacsonyabb üzemi hőmérsékleten rendkívül megbízhatóan működne. „Most már 700 fok fölött járunk, és azt gyanítjuk, hogy ennél is magasabbra juthatunk” – jegyezte meg Yang.

A fejlesztés az mesterséges intelligencia szempontjából is kiemelt jelentőségű, mivel a memrisztorok a hagyományos számítógépekkel ellentétben nem lépésről lépésre végzik a mátrixszorzásokat, hanem az Ohm-törvényre támaszkodva közvetlenül az áram áthaladása közben hajtják végre a műveleteket.

„Az olyan AI-rendszerek számításainak több mint 92 százaléka, mint a ChatGPT, nem más, mint mátrixszorzás” – mondta Yang, majd hozzátette, „ez az eszköztípus ezt a lehető leghatékonyabban, nagyságrendekkel gyorsabban és alacsonyabb energiafelhasználással képes elvégezni”.

A kutatók ugyanakkor hangsúlyozzák, a gyakorlati alkalmazás még időt igényel, mivel a memória mellett magas hőmérsékleten működő logikai áramköröket is fejleszteni kell, továbbá a jelenlegi prototípusok laboratóriumi, kézi gyártással készültek. „Ez az első lépés” – fogalmazott Yang. „Még hosszú út áll előttünk. De logikusan nézve most már lehetővé vált. A hiányzó alkatrész elkészült.”