Teknologi Memori Baru yang Mengejutkan: Transformasi Kristal ke Kaca Menggunakan Energi Miliaran Kali Lebih Sedikit
Penemuan terobosan dalam indium selenide dapat merevolusi teknologi penyimpanan memori dengan memungkinkan transisi kristal ke kaca dengan energi minimal.
Para peneliti menemukan bahwa transformasi ini dapat terjadi melalui guncangan mekanis yang disebabkan oleh arus listrik terus menerus, melewati proses peleburan dan pendinginan yang menghabiskan banyak energi. Pendekatan baru ini mengurangi konsumsi energi hingga satu miliar kali lipat, sehingga berpotensi memungkinkan perangkat penyimpanan data menjadi lebih efisien.
Penemuan Revolusioner dalam Bahan Penyimpanan Memori
Dalam sebuah penelitian inovatif yang diterbitkan pada 6 November di Alampeneliti mengungkapkan bahwa indium selenide, bahan unik, dapat “mengejutkan” dirinya sendiri hingga berubah dari fase kristal menjadi fase kaca dengan kekuatan minimal. Proses transformasi ini, yang penting untuk penyimpanan memori pada perangkat seperti CD dan RAM komputer, memerlukan energi satu miliar kali lebih sedikit dibandingkan metode pendinginan leleh konvensional yang biasanya digunakan untuk mengubah kristal menjadi kaca.
Penelitian tersebut melibatkan tim kolaboratif ilmuwan dari Indian Institute of Science (IISc), the Universitas Pennsylvania Sekolah Teknik dan Sains Terapan (Penn Engineering), dan Institut Teknologi Massachusetts (MIT).
Memahami Transisi Kaca di Perangkat Memori
Kacamata berperilaku seperti benda padat tetapi tidak memiliki susunan atom periodik yang khas. Selama pembuatan kaca, kristal dicairkan (dicairkan) dan kemudian didinginkan secara tiba-tiba (dipadamkan) untuk mencegah kaca menjadi terlalu terorganisir. Proses pendinginan leleh ini juga digunakan dalam CD, DVD, dan cakram Blu-ray – pulsa laser digunakan untuk memanaskan dan mendinginkan bahan kristal ke fase kaca dengan sangat cepat untuk menulis data; membalikkan proses dapat menghapus data. Komputer menggunakan bahan serupa yang disebut RAM perubahan fasa, di mana informasi disimpan berdasarkan jenis resistansi – tinggi versus rendah – yang ditawarkan oleh kondisi kaca dan kristal.
Namun masalahnya adalah perangkat ini sangat haus daya, terutama selama proses penulisan. Kristal perlu dipanaskan hingga suhu melebihi 800HaiC dan tiba-tiba menjadi dingin. Jika ada cara untuk mengubah kristal langsung menjadi kaca tanpa fase cair perantara, daya yang diperlukan untuk penyimpanan memori dapat dikurangi secara signifikan.
Penemuan Amorfisasi Energi Rendah di Indium Selenide
Dalam studi tersebut, tim menemukan bahwa ketika arus listrik dialirkan melalui kabel yang terbuat dari indium selenide, bahan feroelektrik 2D, bahan yang membentang panjang tersebut tiba-tiba berubah bentuk menjadi kaca. “Ini sangat tidak biasa,” kata Gaurav Modi, mantan mahasiswa PhD di Penn Engineering dan salah satu penulis pertama. “Saya sebenarnya mengira saya mungkin telah merusak materialnya. Biasanya, Anda memerlukan pulsa listrik untuk menginduksi segala jenis amorfisasi, dan di sini, arus yang terus menerus telah mengganggu struktur kristal, dan hal ini seharusnya tidak terjadi.”
Modi dan Ritesh Agarwal, Sarjana Terhormat Srinivasa Ramanujan dalam Ilmu dan Teknik Material (MSE) di Penn Engineering, bekerja dengan Pavan Nukala, Asisten Profesor di Pusat Sains dan Teknik Nano (CeNSE), IISc dan mahasiswa PhD-nya Shubham Parate untuk memantau secara dekat proses ini – dari skala atom hingga mikrometer – di bawah mikroskop elektron.
“Selama beberapa tahun terakhir, kami telah mengembangkan serangkaian alat mikroskop in situ di IISc,” jelas Nukala. “Ketika Ritesh memberi tahu saya tentang pengamatan yang tidak biasa ini, kami memutuskan sudah waktunya untuk menguji alat ini.”
Lapisan Geser dan Pembentukan Domain: Efek Gempa Bumi
Apa yang ditemukan tim adalah ketika arus kontinu dialirkan sejajar dengan lapisan 2D material, lapisan-lapisan tersebut akan meluncur satu sama lain ke arah yang berbeda. Hal ini menyebabkan terbentuknya banyak domain – kantong kecil dengan momen dipol tertentu – terikat oleh daerah cacat yang memisahkan domain tersebut. Ketika banyak cacat berpotongan di wilayah nanoskopik kecil, seperti terlalu banyak lubang yang dilubangi di dinding, integritas struktural kristal akan runtuh dan membentuk kaca secara lokal.
Batasan domain ini seperti lempeng tektonik. Mereka bergerak mengikuti medan listrik, dan ketika mereka bertabrakan satu sama lain, guncangan mekanis (dan listrik) dihasilkan seperti gempa bumi. Gempa bumi ini memicu efek longsoran, menyebabkan gangguan jauh dari pusat gempa, menciptakan lebih banyak batas domain dan mengakibatkan wilayah berkaca-kaca, yang pada akhirnya memicu lebih banyak gempa bumi. Longsoran berhenti ketika seluruh material berubah menjadi kaca (amorfisasi jarak jauh).
“Rasanya merinding melihat semua faktor ini menjadi hidup dan bermain bersama, pada skala panjang yang berbeda di mikroskop elektron,” kata Parate, salah satu penulis pertama.
Nukala menunjukkan bahwa berbagai sifat unik indium selenida – struktur 2D, feroelektrik, dan piezoelektriknya – semuanya bersatu untuk memungkinkan jalur energi sangat rendah untuk amorfisasi melalui guncangan. “Kami akan mendorong ini ke tingkat berikutnya untuk mengintegrasikan perangkat ini pada platform CMOS,” tambahnya.
Implikasi untuk Perangkat Memori Perubahan Fase di Masa Depan
“Salah satu alasan mengapa perangkat memori perubahan fase (PCM) belum digunakan secara luas adalah karena kebutuhan energinya,” kata Agarwal. Kemajuan seperti itu dapat membuka cakupan aplikasi PCM yang lebih luas yang dapat mengubah penyimpanan data di perangkat, mulai dari ponsel hingga komputer.
Referensi: “Amorfisasi solid-state jarak jauh yang digerakkan secara elektrik dalam bahan besi In2Ya3” oleh Gaurav Modi, Shubham K. Parate, Choah Kwon, Andrew C. Meng, Utkarsh Khandelwal, Anudeep Tullibilli, James Horwath, Peter K. Davies, Eric A. Stach, Ju Li, Pavan Nukala dan Ritesh Agarwal, 6 November 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08156-8
