Ученым НИТУ «МИСиС», ведущему ученому проекта «Теория локально настраиваемых электронных состояний в слоистых материалах» профессору Сергею Бразовскому и инженеру кафедры теоретической физики и квантовых технологий Петру Карпову, удалось разработать теорию, которая объясняет необычные свойства, экспериментально обнаруженные в одном из самых перспективных материалов для современной микроэлектроники — слоистом дисульфиде тантала. Статья с результатами данной опубликована в журнале Scientific Reports.
Необычное свойство, которое называется «скрытое состояние вещества», Сергей Бразовский открыл в 2014 году вместе с группой экспериментаторов из Словении. Эксперимент, из-за которого начался бум изучения слоистых материалов, заключался в том, что на образец дисульфида тантала размером меньше 100 нанометров воздействовали сверхкоротким лазерным или электрическим импульсом. Из-за этих импульсов в облученной области состояние материала менялось, и он из диэлектрика становился проводником. Или наоборот (по желанию экспериментаторов). Причем, переключение происходило за одну пикосекунду — на порядки быстрее, чем в самых «быстрых» материалах, используемых как носители памяти в современных компьютерах. И состояние не исчезало после воздействия, а сохранялось. Соответственно, материал стал потенциальным кандидатом на роль основы в носителях информации нового поколения.
Суть проблемы, над которой сейчас работают ученые в НИТУ «МИСиС», обозначил Петр Карпов: «Когда коллеги из Словении открыли скрытое состояние вещества, недостижимое при обычных (термодинамических) фазовых переходах, начался бум изучения слоистого дисульфида тантала, посыпался вал статей в различных журналах. Правда, большинство этих работ были экспериментальными, а теория отставала. То есть, состояние смогли получить, но почему получается именно оно, каковы механизмы его образования, какова вообще его природа, оставалось непонятным. Почему после возбуждения система не возвращается в своё исходное состояние, а продолжает оставаться в изменённом виде неограниченно долго? В данной статье мы как раз пытались найти теоретическое обоснование происходящих процессов».
Дисульфид тантала принадлежит к особой группе материалов-проводников, в которых образуются так называемые волны зарядовой плотности. Это значит, что помимо естественных пиков электронной плотности, обусловленных наличием в данном месте атома, существует ещё одна периодичность, которая в разы превышает расстояние между соседними атомами кристаллической решетки. В данном случае идет речь о кратности «корень из тринадцати».
Рис. 1. На рисунке показан слой атомов тантала. Период между «сверхпиками» обозначен красной стрелкой (рис. а). И состояния разных участков в слое дисульфида тантала отличаются друг от друга тем, на каких атомах тантала центрированы максимумы электронной плотности. На «красных» — одно состояние, на «голубых» или «белых», например, — другие.
Работа ученых НИТУ «МИСиС» состояла в построении и изучении универсальной теоретической модели, которая смогла бы описать наиболее важное и интригуюшее свойство новых состояний: образование и преобразование нано-структурной мозаики (см. рисунок б). После обработки электрическими импульсами в образце слоистого дисульфида тантала часть атомов металла вылетает из решетки, из-за чего формируются дефекты — заряженные вакансии электронного кристалла. Но вместо того, чтобы максимально дистанцироваться друг от друга, заряды «размазываются» по линейным цепочкам атомов тантала, образующим границы зон с разным состоянием атомов тантала — доменов, а затем эти цепочки вообще связываются в некую глобальную сеть. Именно манипуляции этой наносетью отвечают за эффекты переключения и памяти.
«Мы пытались выяснить, почему одноименные заряды в такой структуре не отталкиваются, а, фактически, притягиваются друг к другу. Оказалось, этот процесс энергетически выгоднее, чем максимальное удаление положительных зарядов друг от друга, потому что при образовании дробно заряженных доменных стенок минимизируется заряд на каждом из составляющих стенку атомов, из-за чего доменная система и становится более стабильной, что полностью подтвердил эксперимент. И в такое состояние с мозаикой доменов и глобулами разделяющих их стенок можно перевести весь кристалл», — говорит Петр Карпов.
По словам ученых, благодаря разработанной теории можно утверждать, что доменное состояние дисульфида тантала действительно можно использовать для долговременного хранения и сверхбыстрой работы с информацией.
