Журнал Компьютерра - Журнал Компьютерра N733

Химикам из Кембриджского университета впервые удалось детально разобраться в межатомных взаимодействиях, которые происходят при перезаписи информации на DVD-дисках и в других устройствах памяти на основе материалов, меняющих фазовое состояние.

Ученые исследовали несколько GST-материалов (их молекулы состоят из атомов германия, сурьмы и теллура - например, Ge2Sb2Te5), способных быстро менять структуру, переходя из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. Структура меняется в результате нагрева импульсами лазера или электрического тока подходящей формы с последующим остыванием. В аморфном состоянии у GST-материалов гораздо меньше свободных электронов, чем у кристаллов, что сказывается на их электропроводности и оптических свойствах. Изменение этих свойств позволяет легко считывать записанную информацию. При быстром охлаждении атомы вещества не успевают "построиться", и материал остается аморфным, а если у атомов для этого достаточно времени, то получается кристалл.

Несмотря на большое количество приближенных расчетов, теоретических и экспериментальных исследований, до сих пор оставалось неясным, как именно происходит изменение фазового состояния таких материалов и почему этот процесс быстр и обратим. Изменения происходят стремительно - за время около наносекунды и в объемах с размерами около десяти нанометров, что сильно затрудняет их исследование.

Выручили компьютерные расчеты методом квантовой молекулярной динамики, которые велись, что называется, "из первых принципов", подробно описывая взаимодействия между всеми атомами и их электронами. Удалось полностью просчитать процесс фазовых превращений во время циклов чтения-записи. Как материал нагревается, плавится, а затем остывает и становится аморфным или кристаллическим в зависимости от скорости процесса. Расчеты показали, что при остывании Ge2Sb2Te5 формируется множество квадратных атомных циклов, которые сохраняются в аморфной фазе и становятся центрами роста и основой кристаллов. Часть из этих циклов остается и в не слишком перегретом расплаве. Собственно, ими и объясняется высокая скорость фазовых превращений.

Теперь у ученых есть мощный вычислительный инструмент для создания новых разновидностей GST-материалов. Нетрудно посмотреть, что изменится, если, например, один тип атомов поменять на другой, добавить какие-нибудь примеси или изменить параметры нагрева. Экспериментаторы надеются, что вскоре им удастся найти новые составы для более быстрых и надежных DVD-дисков и новых типов памяти с произвольным доступом, которые, возможно, окажут конкуренцию флэшкам. ГА

"Сборная команда" испанских, австрийских и швейцарских ученых изготовила оригинальный монотрубный движитель из углеродной нанотрубки. Устройство, способное перемещать груз на расстояние до 800 нм, возможно, найдет применение в различных наномашинах.

Чтобы изготовить похожую на канатную дорогу машину, ученые сначала натянули толстую многослойную нанотрубку длиной 1500 нм между краями канавки кремниевого чипа. Затем с помощью техники электрического пробоя несколько внешних слоев углерода были удалены с большей части нанотрубки. В результате осталась короткая муфта, способная свободно вращаться и перемещаться вдоль трубки взад и вперед. К этой муфте был прикреплен "полезный груз" в виде золотой чешуйки.

Чтобы заставить муфту двигаться, к концам трубки прикладывали напряжение разной полярности. Предполагалось, что благодаря электрическому взаимодействию расположенных по спирали атомов углерода на нанотрубке и муфте, последняя сможет накручиваться в том или ином направлении в зависимости от того, в каком направлении по трубке течет ток. Но вопреки ожиданиям муфта всегда сдвигалась только от центра трубки к ее краю, а частичка золота даже иногда слегка плавилась. Анализ показал, что скорее всего муфту к краю трубки толкают фононы - кванты тепловых колебаний кристаллической решетки. Электрический ток просто нагревает нанотрубку до высокой температуры. Максимум температуры приходится на ее центр, поскольку с закрепленных краев тепло стекает в чип. Поток тепла от центра к краям и увлекает за собой муфту с золотым грузом.