Команда исследователей под руководством профессора Си-Ёнга Чоя из Департамента материаловедения и инженерии полупроводников POSTECH (Университет науки и технологий Поханга), совместно с коллегами из Университета Пусана и Университета Сонгкюнгвана, обнаружила явление сегнетоэлектричества на субатомном уровне в природном минерале бруммилерите. Результаты работы были опубликованы 20 мая в журнале Nature Materials.

В современных электронных устройствах данные хранятся в так называемых «доменных областях» памяти, размер которых ограничивает плотность хранения информации. Однако сегнетоэлектрические носители информации сталкиваются с трудностями при попытке уменьшить размер доменов, поскольку вибрации атомов обычно распространяются коллективно и мешают миниатюризации.

Исследователи нашли выход, вдохновившись природой. Они обратили внимание на бруммилерит — природный минерал с уникальной структурой, напоминающей сэндвич из чередующихся слоёв тетраэдрических (FeO4) и октаэдрических (FeO6) железо-кислородных комплексов.

Особенность бруммилерита состоит в явлении, называемом «развязывание фононов». Обычно атомные колебания (фононы) передаются от атома к атому, вовлекая соседние слои. Но в случае бруммилерита, когда начинают вибрировать тетраэдрические слои, октаэдрические остаются практически неподвижными. Такое свойство позволяет выборочно формировать домены только в тетраэдрических слоях при воздействии электрического поля.

Этот эффект был подтверждён на различных типах бруммилерита, включая тонкие плёнки SrFeO2.5 и CaFeO2.5, а также монокристаллический CaFeO2.5. Эксперименты показали, что электрическое поле влияет лишь на тетраэдрические слои, изменяя положение атомов, в то время как октаэдрические слои не затрагиваются. Учёные также создали прототипы сегнетоэлектрических конденсаторов и тонкоплёночных транзисторов на основе этой структуры.

Если технология будет коммерциализирована, она позволит создавать устройства памяти в десятки раз меньшие и быстрее нынешних, что существенно увеличит объём и скорость обработки данных в смартфонах, компьютерах и других системах. Это может ускорить развитие технологий искусственного интеллекта и автономного транспорта.

Профессор Си-Ёнг Чой отметил: «Это исследование показывает, как природа может подсказать решения для преодоления технологических барьеров. Раскрытие тайн таких явлений поможет сделать передовые технологии ещё более эффективными и универсальными».

Работа получила поддержку от Государственного центра исследований и ряда национальных программ по развитию нанотехнологий, материаловедения и интеллектуальных полупроводников.