Små væskefyldte buler i væggene på ekstremt smalle kanaler kan forklare, hvorfor strømmen gennem dem afhænger af tidligere spænding. Det viser et studie offentliggjort 27. oktober i Nature Materials. Forskerne har fulgt både kanalernes form og ionernes strøm samtidig og dermed set en mekanisk forklaring på en form for elektrisk hukommelse.

Resultatet gælder eksperimentelle nanofluidiske memristorer, hvor ladede ioner bevæger sig i væske. Sådanne komponenter undersøges som mulige byggesten til informationsbehandling inspireret af hjernen. Studiet demonstrerer ikke en færdig computer, men giver et konkret svar på, hvad der ændrer sig inde i de undersøgte komponenter.

Væggene er en del af kredsløbet

En memristiv komponent kan reagere forskelligt ved samme spænding, afhængigt af hvordan den tidligere er blevet påvirket. Når strømmen afbildes mod spændingen, kan forløbet derfor danne en sløjfe frem for én entydig kurve. Denne afhængighed af historien er den hukommelse, forskerne undersøger.

I de aktuelle komponenter ligger kanaler mellem tynde lag af hexagonalt bornitrid med grafen som afstandsholder. Holdet fra blandt andet Manchester og EPFL undersøgte 14 komponenter. De kombinerede elektriske målinger med optisk interferometri, så ændringer i refleksionen kunne sammenholdes med strømmen under drift.

Det afgørende er, at kanalens vægge ikke bare står stille, mens ionerne passerer. Spænding kan få lagene til lokalt at løfte sig og danne væskefyldte buler. Når kanalen bliver bredere, ændres dens elektriske ledningsevne.

Et strømhop får en synlig forklaring

I en af komponenterne registrerede forskerne et gentageligt spring i ledningsevnen på omkring 50 procent på under ét sekund. Billedanalysen knyttede springet til en bestemt lokal deformation. Det gjorde det muligt at forbinde en samlet elektrisk ændring med noget, der faktisk skete i en afgrænset del af kanalen.

Andre komponenter ændrede sig mere uregelmæssigt fra spændingscyklus til spændingscyklus. Holdet kunne også her følge deformationerne og sammenholde dem med den elektriske opførsel. Det er vigtigt for en teknologi, hvor tilsyneladende ens komponenter ellers kan give meget forskellige målinger.

En elektrisk kurve alene fortæller ikke nødvendigvis, om ændringen skyldes ionernes bevægelse, kemiske processer eller materialets geometri. Samtidig billeddannelse giver en ekstra mulighed for at skelne mellem forklaringerne frem for alene at tilpasse en model til kurven.

To veje til buler

Holdet identificerede to hovedtyper. Nogle buler voksede primært ved én spændingsretning. Andre voksede ved begge retninger. Den systematiske analyse omfattede 50 buler fordelt på ni komponenter.

Forskerne forklarer forskellen med to mekanismer: Elektriske kræfter på overfladeladninger kan trække i væggene, mens spændingsdrevne forskelle i saltkoncentration kan skabe et osmotisk tryk. Begge kan overvinde den lokale sammenhæftning mellem lagene og ændre kanalens form.

Formen reagerer heller ikke nødvendigvis ens, når spændingen øges og sænkes. Dermed kan en mekanisk forsinkelse eller forskel i åbning og lukning vise sig som hukommelse i strømmen. Informationsbæreren er i denne forklaring ikke alene ionernes fordeling, men også den fysiske deformation.

Hukommelsen er ofte kortvarig

De fleste deformationer forsvandt igen ved nul volt, især ved hurtigere spændingsvariationer. En mindre gruppe beholdt en deformation efter, at spændingen var fjernet. Det betyder, at hukommelse her ikke automatisk skal forstås som stabil langtidslagring på linje med et almindeligt lagerdrev.

Der er også grænser for målemetoden. Forskerne behandler højder beregnet ud fra den optiske kontrast som størrelsesordensestimater. Meget små optiske ændringer fra rent ioniske mekanismer kan ligge under metodens følsomhed. Resultatet udelukker derfor ikke andre hukommelsesmekanismer i andre typer nanokanaler.

Fra forklaring til styrbar komponent

Fundet giver et udviklingsspor: Hvis bulernes placering og væggenes sammenhæftning kan styres, kan man måske gøre komponenternes respons mere forudsigelig. Det er en foreslået vej videre, ikke allerede dokumenteret masseproduktion.

For forskningen er fremskridtet først og fremmest, at en skjult variabel er blevet synlig. At forstå, hvorfor en komponent husker forskelligt fra sin nabo, er et nødvendigt skridt, før mange af dem kan sættes sammen i et pålideligt system.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.