Диоксид ванадия – странный материал, который “помнит” информацию и то, когда она была сохранена. А это уже сродни биологической памяти.
Компьютеры и живые организмы хранят воспоминания совершенно по-разному. В новой исследовательской работе описывается очень необычный материал – стекло из диоксида ванадия, который, похоже, хранит память в своих атомных и молекулярных конфигурациях. Это позволяет ему действовать подобно человеческому нейрону, а не цифровому компьютерному чипу.
Основные рабочие банки памяти в компьютере, часто называемые оперативной памятью и кэшем, по сути, являются электронными тюрьмами. В каждой “тюремной” ячейке памяти компьютер может проверить, “занята” или “не занята” она электроном, чтобы считать значения 0 или 1. Если энергия, удерживающая двери ячеек закрытыми, отключается, электроны вырываются на свободу, и память теряется.
Эксперименты, описанные в статье, дали удивительный результат: стекло из диоксида ванадия (VO2), оказывается, сохраняет память совершенно иным способом. VO2 “помнит” не просто два состояния “полный” или “пустой”, а целый ряд конкретных состояний, а также время, когда информация была сохранена. Память стекла делает это, не задерживая электроны и даже не требуя постоянного питания!
Кристалл против стекла
Способность ванадиевого стекла сохранять эту память, как предполагается, связана с природой стекла. Кристаллические материалы имеют жесткую структуру, состоящую из атомов, зафиксированных в точном положении. Угловатые грани, геометрические узоры и идеальные плоскости кристаллов являются результатом того, что триллионы атомов идеально уложены определенным образом. Стекло, с другой стороны, имеет аморфную структуру. Атомы плотно упакованы друг к другу, но их расположение представляет собой “гигантский беспорядок”, полностью лишенный порядка кристалла.
VO2 начинается как упорядоченный кристалл. Значение помещается в его память путем воздействия на него электрическими сигналами, которые превращают кристалл в стекло. Память считывается повторным импульсным воздействием, в результате чего стеклянный VO2 снова превращается в кристалл. Преобразование занимает определенное время, пока атомы переходят из случайного положения в упорядоченное. Продолжительность этого времени определяется тем, как давно VO2 “остекленело” и сколько импульсов было на него подано.
Структурная память
Причина, по которой стекло может запоминать ряд значений, до сих пор не совсем ясна. Интересно, что память не удерживается электронами. Авторы демонстрируют это, проводя хитроумные эксперименты с использованием лазера для изменения численности электронов в стекле и не обнаруживая никаких изменений в памяти. Вероятно, память фиксируется на уровне расположения атомов.
Импульс электрического тока, который считывает память, не может пройти через стекло. Он должен создать цепочку проводящих (кристаллических) атомов, чтобы достичь дальней стороны, где считывается информация. Каким-то образом (ученые пока не знают каким) беспорядочное расположение атомов стекла настраивается на хранимую память. Хотя детали этого процесса неизвестны, время, которое требуется импульсу тока, чтобы кристаллизовать стекло VO2 и пройти через него, позволяет достоверно определить, какое количество импульсов было помещено в память в данный момент времени.
Пока память сохраняется, удерживая значение, ее внутренняя структура, похоже, немного изменяется. Это может привести к смещению считанного значения. В целом это недостаток, но его можно исправить или, возможно, использовать в приложениях, где требуются изменяющиеся во времени значения.
Ценным свойством стеклянной памяти VO2 является то, что она может сохранять значение в течение как минимум трех часов без питания, а возможно, и гораздо дольше. Это может позволить компьютерным чипам хранить память на борту, не требуя постоянного электричества для поддержания электронов. Хотя коррекция сдвига значений в течение этих часов будет непростой задачей, успешно реализованная “энергонезависимая” память позволит устройствам “спать”, не расходуя батареи.
Последнее практическое свойство памяти ванадиевого стекла заключается в том, что, хотя она не хранит память с помощью электронов, ее значение может как устанавливаться, так и считываться электронами. Что позволит интегрировать ее в существующие компьютерные схемы. К сожалению, память стекла VO2 не появится уже в вашем следующем смартфоне, но этот странный материал может привести к гениальным изобретениям в самые ближайшие годы.
Читайте также: Китай обнаружил на Луне потрясающий кристалл и топливо для ядерного синтеза безграничной энергии