Material zeigt neuartiges „Gedächtnis“

Verblüffender Memory-Effekt: Physiker haben bei Vanadiumdioxid einen noch nie zuvor beobachteten Lerneffekt entdeckt. Beim Übergang zwischen Isolator und Leiter „merkt“ sich das Material frühere Reize und passt sein Wechseltempo daran an. Anders als bei gängigen Halbleitern ist dabei keine elektronische Anregung im Spiel, sondern ein glasartiger Konfigurationswechsel, wie Physiker in „Nature Electronics“ berichten. Es ist das erste Material, für das ein solches „Gedächtnis“ nachgewiesen wurde. Dieses könnte neuartige Datenspeicher und neuronale Netze ermöglichen.

Es gibt eine Reihe von Materialien, die ihre Leitfähigkeit an die jeweils herrschenden Bedingungen anpassen. Bei Halbleitern geschieht dies unter Einfluss von Licht oder Elektrizität, bei Supraleitern sorgt Kälte für den Übergang zur nahezu widerstandslosen Leitung. Ursache dafür sind meist veränderte Anregungszustände der Elektronen in diesen Materialien. Es gibt aber auch Feststoffe, bei denen Veränderungen der Kristallstruktur den Übergang vom Isolator zum Leiter auslösen. Beim Diamanten beispielsweise lässt sich dies durch Biegen provozieren.

Typisch für all diese Übergänge ist jedoch, dass sie bei definierten Schwellen stattfinden und dass das Tempo des Übergangs – die Reaktionszeit – entweder fest ist oder von den aktuellen Bedingungen abhängt.

Angepasste Reaktionszeit

Doch es gibt ein Material, bei dem dies offenbar nicht so ist, wie nun Mohammad Samizadeh Nikoo von der Polytechnischen Hochschule Lausanne und seine Kollegen entdeckt haben. Für ihre Studie wollten sie eigentlich messen, wie Vanadiumdioxid (VO₂) auf verschiedene Stromreize reagiert. Der Strom bewegt sich durch das Material und heizt es dabei bis zum Schwellenwert von rund 68 Grad auf, bei dem das Vanadiumdioxid vom Isolator zum Leiter wird. Sobald der Strompuls vorbei ist und das Material abkühlt, kehrt es wieder in den Ausgangszustand zurück.

Das Überraschende jedoch: Anders als erwartet reagierte das Material selbst bei identischen Strompulsen nicht immer gleich schnell. Der allererste Wechsel war noch relativ langsam, im ersten Test dauerte die Inkubationszeit beispielsweise 1,4 Mikrosekunden. Doch bei den folgenden Übergängen verkürzte sich dies auf nur noch ein Zehntel. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Puls bestimmt dabei, wie stark sich die Inkubationszeit verkürzt.

„Die Geschichte der vergangenen Übergänge bestimmt die Höhe der Energiebarriere für die kommenden Wechsel“, erklären die Forschenden. „Je höher die Frequenz und Anzahl der Umschalt-Ereignisse, desto geringer ist die Barriere.“

Memory-Effekt auch nicht-elektronisch auslösbar

Anders ausgedrückt: „Das Vanadiumdioxid scheint sich an den ersten Phasenübergang zu erinnern und den nächsten quasi vorauszuahnen“, sagt Nikoos Kollege Elison Matioli. „Einen solchen Memory-Effekt haben wir nicht erwartet.“ In den Messungen behielt das Material seine „gelernte“ Reaktionszeit auf die Anfangsreize bis zu drei Stunden bei. „Der Memory-Effekt könnte aber mehrere Tage lang anhalten – wir haben aber noch nicht die nötigen Instrumente, um das so lange zu messen“, so Matioli.

Verblüffend auch: Das „Gedächtnis“ des Vanadiumdioxids ist unabhängig davon, in welcher Form das Material zur Wechseltemperatur gebracht wird: Auch reine Wärmepulse ohne elektrischen Stromfluss lösten den Lerneffekt beim Material aus. „Das belegt, dass ein Strom von Elektronen oder Ionen keine Rolle für diesen Memory-Effekt spielt, denn bei den thermisch angetriebenen Übergängen floss kein Strom im Material“, berichten die Forschenden. „Es ist offenbar ein genereller, nicht auf elektrischer Anregung beruhender Effekt.“

Glasartige Konfigurationsänderungen

„Das ist ein völlig neues Phänomen, kein anderes Material verhält sich auf diese Weise“, sagt Matioli. Doch wie kommt diese „Konditionierung“ beim Vanadiumdioxid zustande? Weitere Versuche ergaben, dass auch eine Anregung der Atome mit Laserlicht oder die Veränderung des Metalls der angeschlossenen Elektroden keinen Einfluss auf den Memory-Effekt hatten. „Er hat offenbar nicht mit elektronischen Zuständen zutun, sondern eher mit der Struktur des Materials“, erklärt der Physiker.

Die Fähigkeit des Vanadiumdioxids, sein Umschalttempo an „Taktgeberreize“ anzupassen, wird durch Veränderungen seiner internen Konfiguration ermöglicht, wie die Forschenden herausfanden. „Solche langsamen, glasartigen Konfigurationsänderungen werden getrieben von Bindungslängen, Fehlstellen oder auch langlebigen metallischen Domänen im Material“, erklären sie. Das unterscheide das Vanadiumdioxid von konventionellen Halbleitern, deren Reaktion beispielsweise in digitalen Datenspeichern von den elektronischen Zuständen abhänge.

Neuartige Datenspeicher und neuronale Netze

Nach Ansicht von Nikoo und seinen Kollegen eröffnet der Memory-Effekt von Vanadiumdioxid und möglicherweise noch anderen Materialien neue Chancen für innovative Elektronik. „Solche glasähnlichen Funktionsmaterialien könnten gängige Metalloxid-Halbleiter-Elektronik in Bezug auf Geschwindigkeit, Energiebedarf und Miniaturisierung weit übertreffen“, konstatieren sie. Denn einmal „angelernt“, schaltet das Vanadiumoxid in weniger als einer Nanosekunde und benötigt dafür kaum Energie.

Solche Materialien mit Memory-Effekt könnten beispielsweise als neuartige Hochleistungs-Datenspeicher zum Einsatz kommen, bei denen Bits auf mehreren Ebenen gespeichert werden. Denkbar wäre aber auch eine Nutzung in künstlichen neuronalen Netzwerken: Wenn zwischen den Knoten Vanadiumdioxid-Schalter platziert werden, lernt diese Hardware quasi von allein: „Es ist nicht nötig, die Gewichtung zu berechnen, und man muss sie auch nicht extra durch Manipulation der Widerstände oder ähnliches induzieren“, so das Team. Der Memory-Effekt des Vanadiumoxids übernimmt diese Aufgaben – und macht neuronale Netze so effizienter und schneller. (Nature Electronics, 2022; doi: 10.1038/s41928-022-00812-z)

Quelle: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL)