研究人员推出了一种新颖的技术，利用显著更少的能量改变半导体的晶体结构，可能能将功率密度降低至十亿倍。这一突破可能扩展相变存储器（PCM）的应用，这是一种前沿的存储技术，有潜力在从智能手机到计算机等设备中彻底改变数据存储。
非晶固体中的原子，如玻璃，缺乏明确的结构，随机排列，类似于散落在海滩上的沙粒。通常，制造材料非晶化的过程，称为非晶化，需要高能量水平。现有的普遍方法是熔化淬火过程，其中材料被加热至液态，然后迅速冷却以防止原子组织成晶体结构。
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院、印度科学学院和麻省理工学院的研究人员设计了一种用于非晶化硒化铟线的新技术。这一方法利用的功率密度是传统方法的十亿分之一，正如最近在《自然》杂志上的一篇文章中所述。这一重大进展可能拓宽相变存储器（PCM）的应用，这是一个有前景的技术，可能会改变从手机到计算机的所有设备中的数据存储。
在相变存储器中，数据通过在非晶态和晶态之间切换材料来存储，功能类似于开关。然而，这些转变的高能量需求阻碍了大规模商业使用。“相变存储器设备未能广泛应用的关键原因之一是它们所消耗的能量，”宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程的杰出学者兼教授、并且是该研究的共同作者Ritesh Agarwal表示。
Agarwal的团队在过去十多年中探索了熔化淬火法的替代方案，基于他们在2012年发现的电脉冲可以在不熔化的情况下使某些合金非晶化。
数年后，主要作者之一、前博士生Gaurav Modi开始研究硒化铟，这是一种以其独特特性而闻名的半导体：它是铁电的，意味着它可以自发极化；同时也是压电的，意味着机械应力会使它产生电能。
Modi偶然发现了这种新方法。在通过In2Se3线运行电流时，电流意外中断。仔细观察发现，线的很大一部分已经变成了非晶态。“这非常令人惊讶，”Modi说。“我甚至以为我可能损坏了这些线。通常，需要电脉冲来诱导非晶化，但在这里，持续电流改变了晶体结构，这是意料之外的。”
理解这一异常现象的过程花费了近三年。Agarwal将线的样本送给Pavan Nukala，他是前研究生，现在是印度科学学院的助理教授，论文的另一位资深作者。“近年来，我们在印度科学学院开发了多种原位显微镜工具。是时候利用它们了——我们需要非常仔细地检查这个过程，”Nukala指出。“我们发现In2Se3的不同性质——包括其二维特性、铁电性和压电性——结合在一起，创建了这个超低能量的非晶化路径。”
最后，研究人员发现这个过程类似于雪崩或地震。起初，In2Se3线内的小部分开始在电流的变形下非晶化。得益于这些线的压电特性和分层结构，电流将这些层的一部分推入不稳定状态，类似于山顶上雪的轻微移动。
一旦达到临界阈值，这种运动会引发整个线内变形的快速传播。变形的部分相撞，产生穿透材料的声波，类似于地震中渗透地壳的震波。
这个声波被称为“声学突发”，刺激更多的变形，将众多小的非晶区域合并成一个更大的区域，尺寸达到微米级——比原始区域大上千倍——就像雪崩在坡道上的加速滚动。“看到所有这些现象在不同尺度上同时互动，真是不可思议，”印度科学学院的博士生、论文的共同第一作者Shubham Parate说。
这项合作研究为未来的发现铺平了道路。“这为多种性质结合时材料中的结构转变开辟了一个新的研究领域。设计低功耗存储设备的潜在影响巨大，”Agarwal指出。
该研究在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院、印度科学学院和麻省理工学院进行，得到了美国海军研究局、美国国家科学基金会等多家机构的支持，以及印度科学学院的CeNSE和先进显微镜与微分析设施（AFMM）的设备支持。
