Швейцарские ученые предложили и экспериментально проверили метод контролируемого фазового перехода атомов ксенона из твердого состояния в жидкое в порах металлорганической супрамолекулярной структуры. Технология может быть использована в области разработки запоминающих устройств на молекулярном уровне.

Исследование опубликовано в Small.

Количество цифровой информации в мире растет очень быстро, поэтому ученые и инженеры по всему миру работают над созданием веществ и методов, позволяющих увеличить емкость запоминающих устройств и уменьшить их физический размер. Способов кодирования и хранения информации в твердотельных накопителях много. Один из них основан на различных фазовых переходах вещества. Обычно для этих целей используют аморфное и кристаллическое состояние кристаллов халькогенидов в сочетании с германием, сурьмой и теллуром.

Группа исследователей под руководством Томаса Юнга (Thomas Jung) из Базельского университета предложили систему, позволяющую записывать информацию на атомарном уровне. Ранее они сумели создать самоорганизующуюся в супрамолекулярную структуру сеть органометалических комплексов, адсорбированных на поверхности меди Cu(111). Подобные структуры позволяют упростить создание квантовых загонов и, соответственно, процесс производства высокотехнологичных устройств, в которых они используются.

В новом исследовании физики экспериментально проверили, возможно ли осуществить контролируемый «фазовый переход» ксенона в ячейках супрамолекулярных ансамблей (под «фазовым переходом» авторы подразумевают возникающее движение атомов в структуре металорганической сетки). Для этого они поместили атомы ксенона в поры сетки и следили за их поведением при нагревании и при действии электрических импульсов на единичный загон. Повышение температуры проводили медленно (две десятые кельвина в минуту) до 16 кельвинов — при большем нагреве атомы ксенона начинают перескакивать в соседние ячейки. Чтобы проследить за процессами, которые проходили в системе, и создать электрические импульсы, ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ).

«Фазовый переход» из статичного состояния (слева) в подвижное (справа) под действием температуры в трех соседних ячейках, которые содержат семь, ноль и один атом ксенона соответственно. Внизу – микрофотография СТМ, вверху – структурная модель. / Aisha Ahsan et al., / Small, 2018

В твердом состоянии, при низких температурах, атомы ксенона оставались статичными, и занимали определенное положение в порах. При 16 кельвинах они стали перемещаться по метастабильным сорбционным положениям в поре, и на снимках СТМ ученые увидели кольца внутри тех ячеек сетки, которые были заполнены несколькими атомами. В зависимости от заполнения ячейки, то есть стабильности ксеноновых кластеров, температуры «фазового перехода» оказались разными.

Конденсация атомов ксенона под действием импульса положительной полярности. / Aisha Ahsan et al., / Small, 2018

Когда экспериментаторы воздействовали точечными электрическими импульсами отрицательной полярности, даже при четырех кельвинах, они добились такого же эффекта, как при нагревании. А действием импульсов положительной полярности, авторы вызвали обратный процесс — «конденсацию» Xe в статичное положение в порах на определенных активных центрах.

На примере этой системы авторы показали возможность использования супрамолекулярных структур в технологиях хранения информации, основанных на фазовых переходах. Одновременно с этим продолжаются попытки улучшить запоминающие устройства такого вида на надмолекулярном уровне. В одной из таких работ, ученым удалось создать и исследовать материал, ускоряющий процесс записи информации.