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Münster (upm).
Eine schematische Darstellung, die an eine Landschaft mit Hügeln und Tälern erinnert. Sie symbolisiert Folgendes: Der elektrische Widerstand eines nanoskopisch kleinen Volumens aus Germaniumtellurid fluktuiert zwischen verschiedenen Zuständen. Diese Zustände entsprechen Tälern in einer hochdimensionalen Energielandschaft. Die Übergangsraten zwischen den Zuständen verraten etwas über die Beschaffenheit der Energiebarrieren, die sie voneinander trennen.<address>© Sebastian Walfort – AG Salinga</address>
Der elektrische Widerstand eines nanoskopisch kleinen Volumens aus Germaniumtellurid fluktuiert zwischen verschiedenen Zuständen. Diese Zustände entsprechen Tälern in einer hochdimensionalen Energielandschaft. Die Übergangsraten zwischen den Zuständen verraten etwas über die Beschaffenheit der Energiebarrieren, die sie voneinander trennen (symbolische Abbildung).
© Sebastian Walfort – AG Salinga

Einblicke in die Energielandschaft eines „memristiven“ Materials

Forscher entdecken Zusammenhang zwischen elektronischem Rauschen und thermodynamischen Eigenschaften

Für moderne Datenspeicher und neue Rechenkonzepte sind sogenannte memristive Materialien interessant, da sie Informationen ohne kontinuierliche Energiezufuhr speichern können und bereits kleine Veränderungen ihrer atomaren Struktur zu deutlichen Änderungen des elektrischen Widerstands führen. Dadurch lassen sich sehr dichte Netzwerke aus Speicherzellen realisieren, in denen Rechenoperationen direkt im Speicher stattfinden können. Auf diese Weise kann der zeit- und energieintensive Datenaustausch zwischen Prozessor und Datenspeicher vermieden werden. Diese hohe Empfindlichkeit, die sie für Anwendungen attraktiv macht, hat allerdings eine Kehrseite. So führen in einem nanometrisch kleinen Volumen von Germaniumtellurid, einem besonders vielseitigen Material für memristive und ferroelektrische Anwendungen, selbst geringfügige atomare Umordnungen zu einem intrinsischen Rauschen (spontanen Widerstandsänderungen). Anhand dieses Rauschens konnte Doktorand Sebastian Walfort mit einem Team um Prof. Dr. Martin Salinga am Institut für Materialphysik nun thermodynamische Größen ableiten und die Energielandschaft vermessen, die das Verhalten des Materials bestimmt.

Zum Hintergrund: Eine Energielandschaft beschreibt, welche atomaren Anordnungen ein Material einnehmen kann und wie stabil diese sind. Jede Anordnung entspricht einem Punkt in einer gedachten Landschaft aus Tälern und Hügeln. Je tiefer ein Tal, desto niedriger ist die Energie und stabiler ist der Zustand. Um von einem Zustand in einen anderen zu gelangen, müssen die Atome einen „Pass“ überwinden, also eine Energiebarriere.

Doppel-Porträt vor dunklem Hintergrund: Prof. Dr. Martin Salinga (links) und Doktorand Sebastian Walfort<address>© Uni MS - Linus Peikenkamp</address>
Prof. Dr. Martin Salinga (links) und Doktorand Sebastian Walfort arbeiten am Institut für Materialphysik.
© Uni MS - Linus Peikenkamp
Das Team nutzte einen statistischen Ansatz, um einzelne Widerstandszustände zu identifizieren und die Raten zu bestimmen, mit denen das System zwischen ihnen wechselt. Aus diesen Umschaltraten ließen sich thermodynamische Größen ableiten. Dazu zählen einerseits die Aktivierungsenergie, die für einen Übergang überwunden werden muss, und andererseits die Entropiedifferenz.  Letztere gibt an, wie „breit“ oder „schmal“ ein Zustandstal im Vergleich zum „Pass“ zwischen den Zuständen ist, bezogen auf die Zahl möglicher atomarer Konfigurationen. Je schmaler der Pass im Vergleich zur Breite des Tals, desto größer ist die Entropiedifferenz.

Die Messungen offenbarten eine große Bandbreite an Übergangsverhalten. Viele Übergänge weisen zwar nur moderate Energiebarrieren auf, können jedoch stark durch eine Einengung der zugänglichen Konfigurationen behindert werden. Das macht es für die Atome unwahrscheinlicher, den notwendigen Übergangspfad zu finden. Dadurch können Übergänge trotz vergleichsweise niedriger Energiebarrieren stark gehemmt sein. Dies zeigt, dass nicht nur die Energie, sondern auch die Entropie (als Maß für die Anzahl möglicher atomarer Konfigurationen) eine zentrale Rolle bei der Gestaltung der freien Energielandschaft von Germaniumtellurid spielt.

Die Erkenntnisse sind für das grundlegende Verständnis relevant, aber auch für Anwendungen. Die Möglichkeit, thermodynamische Informationen direkt aus dem Rauschen zu gewinnen, eröffnet neue Wege, memristive und neuromorphe (also vom menschlichen Gehirn inspirierte) Rechner-Bauelemente zu gestalten: Atomare Umordnungen und Widerstandsänderungen ließen sich möglicherweise unterdrücken, wenn sie die Genauigkeit der Datenverarbeitung stören. Andererseits könnte man diese spontanen Änderungen für probabilistische Rechenansätze nutzen.

Die Wissenschaftler erhielten finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und den Europäischen Forschungsrat.

 

Originalveröffentlichung

Sebastian Walfort, Xuan Thang Vu, Jakob Ballmaier, Nils Holle, Niklas Vollmar und Martin Salinga: A free energy landscape analysis of resistance fluctuations in a memristive device. Nature Materials; DOI: 10.1038/s41563-026-02487-9.

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