Los átomos de sólidos amorfos como el vidrio no tienen una estructura ordenada. Se disponen al azar, como granos de arena esparcidos en una playa. En general, se requieren grandes cantidades de energía para que los materiales se vuelvan amorfos, un proceso conocido como amorfización. La técnica más común es el enfriamiento por fusión, que implica calentar un material hasta que esté líquido y luego enfriarlo rápidamente para que los átomos se ordenen en una red cristalina.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering), el Instituto Indio de Ciencias (IISc) y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desarrollado un nuevo método para modificar al menos un material. El seleniuro de indio es o está hecho de.2do3 – lo que requiere al menos mil millones de veces menos densidad de potencia, un resultado descrito en un nuevo artículo. la naturaleza. Estos avances podrían desbloquear aplicaciones más amplias para la memoria de cambio de fase (PCM), una tecnología de memoria prometedora que podría transformar el almacenamiento de datos en dispositivos, desde teléfonos móviles hasta computadoras.
En un PCM, la información se almacena cambiando entre amorfo y cristalino, actuando como un interruptor de encendido/apagado. Sin embargo, la comercialización a gran escala se ha visto limitada por la gran potencia necesaria para inducir estos cambios. “Una de las razones por las que los dispositivos de memoria de cambio de fase no han alcanzado una adopción masiva es la energía necesaria”, dice Ritesh Agrawal, académico distinguido Srinivas Ramanuja y profesor de ciencia e ingeniería de materiales (MSE) en Penn Engineering. Autores principales del artículo.
Durante más de una década, el grupo de Agarwal ha estudiado alternativas al proceso de fusión tras el descubrimiento en 2012 de que los pulsos eléctricos pueden transformar aleaciones de germanio, antimonio y telurio sin necesidad de fundir el material.
Hace varios años, como parte de estos esfuerzos, uno de los primeros autores del nuevo artículo, Gaurav Modi, entonces estudiante de doctorado en MSE en Penn Engineering, comenzó a experimentar con seleniuro de indio, un semiconductor que tiene varias propiedades inusuales: es ferroeléctrico. , en serio. Espontáneamente polarizado, y piezoeléctrico, es decir, la tensión mecánica hace que se desarrolle una carga eléctrica y viceversa, esa carga eléctrica deforma el material.
Modi descubrió el nuevo método esencialmente por accidente. Estaba conduciendo electricidad desde dentro.2do3 De repente los cables dejaron de conducir electricidad. Tras una inspección más cercana, largos trozos de alambre se habían roto. “Fue muy inusual”, dice Modi. “De hecho, pensé que podría haber dañado los cables. Normalmente, se necesitaría un pulso eléctrico para cualquier tipo de amorfización, y aquí una corriente constante interrumpió la estructura cristalina, lo cual no debería haber sido”.
Se necesitaron casi tres años para resolver el misterio. Aggarwal envió muestras de los cables a uno de sus antiguos estudiantes de posgrado, Pawan Nakala, ahora profesor asistente en el IISc y miembro del Centro de Nanociencia e Ingeniería (CeNSE) de la escuela y uno de los otros autores principales del artículo. “Durante los últimos años hemos desarrollado una suite. en el sitio Herramientas de microscopía aquí en IISc. Era hora de probarlos; tuvimos que observar con mucho cuidado para comprender el proceso”, dice Nokala. “Aprendimos que varias propiedades del In.2do3 – Aspectos 2D, ferroelectricidad y piezoelectricidad – todos se combinan para diseñar este camino de energía ultrabaja para amorfo a través de choques”.
Al final, los investigadores descubrieron que el proceso se parecía tanto a una avalancha como a un terremoto. En primer lugar, se miden en el interior partes más pequeñas (millonésimas de metro).2do3 Los cables comienzan a deformarse a medida que la corriente eléctrica los corroe. Debido a las propiedades piezoeléctricas de los cables y a la estructura en capas, la corriente mueve partes de estas capas a una posición inestable, como el fino desplazamiento de la nieve en la cima de una montaña.
Cuando se alcanza un punto crítico, este movimiento provoca una rápida propagación de la deformación por todo el cable. Las regiones deformadas chocan para crear una onda sonora que se mueve a través del material, de manera similar a cómo las ondas sísmicas viajan a través de la corteza terrestre durante un terremoto.
Esta onda sonora, técnicamente llamada “choque acústico”, genera deformación adicional, conectando múltiples regiones pequeñas y amorfas en una sola medida en micrómetros, miles de veces más grande que las regiones originales, tal como la nieve se acumula debajo de una montaña. . “Ver todos estos fenómenos interactuando al mismo tiempo en diferentes escalas de longitud es simplemente ridículo”, dice Shubham Prate, estudiante de doctorado del IISc y coautor del artículo.
El esfuerzo colaborativo para comprender este proceso ha creado un terreno fértil para futuros descubrimientos. “Esto abre un nuevo campo de cambios estructurales que pueden ocurrir en un material cuando todas estas propiedades se juntan”, dice Agarwal.
El estudio se llevó a cabo en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania, el Instituto Indio de Ciencias y el Instituto de Tecnología de Massachusetts y contó con el apoyo del Programa de Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. (N00014-17-1-2661 ). fue realizado por Competencia sobre el futuro de los semiconductores de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF) (#2328743), Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. (FA9550-23-1-0189), División de Investigación de Materiales de los Centros de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de NSF (MRSEC) /DMR- 2309043), y la Junta de Investigación de Ciencia e Ingeniería de la Fundación Nacional de Investigación Anusandhan (CRG/2022/003506) por el Gobierno de la India, así como las instalaciones del CeNSE y el Centro Avanzado de Microscopía y Microanálisis (AFMM), IISc y el sistema democrático de uso.
