ممرستور ذاتي الشفاء: أشعة جاما لا تستطيع إيقاف هذه الذاكرة

هذه المقالة جزء من حصريتنا سلسلة مراقبة مجلة IEEE بالشراكة مع IEEE Xplore.

في الفضاء، يمكن لإشعاع غاما عالي الطاقة أن يغير خصائص أشباه الموصلات، ويغير طريقة عملها أو يجعلها غير صالحة للاستخدام تمامًا. العثور على الأجهزة التي يمكنها تحمل الإشعاع أمر مهم ليس فقط للحفاظ على سلامة رواد الفضاء ولكن أيضًا للتأكد من أن المركبة الفضائية تدوم لفترة طويلة سنوات عديدة مهمتها. إن بناء جهاز يمكنه قياس التعرض للإشعاع بسهولة هو أمر ذو قيمة مماثلة. الآن، وجدت مجموعة من الباحثين من جميع أنحاء العالم أن هذا النوع من memristor، وهو جهاز يقوم بتخزين البيانات كمقاومة حتى في حالة عدم وجود مصدر طاقة، ولا يمكنه قياس إشعاع جاما فحسب، بل يمكنه أيضًا شفاء نفسه بعد التعرض له.

لقد أثبتت الممريستورات القدرة على الشفاء الذاتي تحت الإشعاع من قبل، كما يقول فيرمان سيمانجونتاك، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ساوثهامبتون والذي قام فريقه بتطوير هذا الممرستور. ولكن حتى وقت قريب، لم يفهم أحد حقًا كيفية شفاء هذه الأمراض، أو أفضل طريقة لاستخدام الأجهزة. في الآونة الأخيرة، كان هناك “أ سباق الفضاء الجديد“، مع وجود المزيد من الأقمار الصناعية في المدار والمزيد من المهام في الفضاء السحيق على منصة الإطلاق، لذلك “يريد الجميع أن يجعلوا أجهزتهم … متسامحة تجاه الإشعاع”. يستكشف فريق سيمانجونتاك خصائص أنواع مختلفة من الذاكرات منذ عام 2019، لكنه يريد الآن اختبار كيفية تغير أجهزتهم عند تعرضها لانفجارات إشعاع جاما.

عادة، تحدد الميمريستورات مقاومتها وفقًا لتعرضها للجهد العالي الكافي. يعمل جهد واحد على تعزيز المقاومة، والتي تظل بعد ذلك عند هذا المستوى عندما تخضع لجهود أقل. الجهد المعاكس يقلل من المقاومة ويعيد ضبط الجهاز. العلاقة بين الجهد والمقاومة تعتمد على الجهد السابق، ولهذا يقال أن الأجهزة تحتوي على ذاكرة.

إن ممريستور أكسيد الهافنيوم الذي يستخدمه Simanjuntak هو نوع من الممريستور الذي لا يمكن إعادة ضبطه، ويسمى جهاز WORM (اكتب مرة واحدة، واقرأ عدة مرات)، وهو مناسب للتخزين الدائم. بمجرد ضبطه على جهد سلبي أو إيجابي، فإن الجهد المعاكس لا يغير الجهاز. وتتكون من عدة طبقات من المواد: أولا البلاتين الموصل، ثم أكسيد الهافنيوم المطلي بالألومنيوم (عازل)، ثم طبقة من التيتانيوم، ثم طبقة من الفضة الموصلة في الأعلى.

عندما يتم تطبيق الجهد على هذه الذاكرات، يتشكل جسر من أيونات الفضة في أكسيد الهافنيوم، مما يسمح للتيار بالتدفق من خلاله، مما يحدد قيمة التوصيل. على عكس الذاكرات الأخرى، فإن الجسر الفضي لهذا الجهاز مستقر ويتم تثبيته في مكانه، ولهذا السبب بمجرد ضبط الجهاز، لا يمكن عادةً إعادته إلى حالة السكون.

أي ما لم يكن هناك إشعاع. الاكتشاف الأول الذي توصل إليه الباحثون هو أنه تحت إشعاع جاما، يعمل الجهاز كمفتاح قابل لإعادة الضبط. ويعتقدون أن أشعة جاما تكسر الرابطة بين ذرات الهافنيوم والأكسجين، مما يتسبب في تكوين طبقة من أكسيد التيتانيوم في الجزء العلوي من الممرستور، وتشكل طبقة من أكسيد البلاتين في الأسفل. تخلق طبقة أكسيد التيتانيوم حاجزًا إضافيًا لعبور أيونات الفضة، وبالتالي يتم تشكيل جسر أضعف، يمكن كسره وإعادة ضبطه بواسطة جهد كهربائي جديد.

تعمل طبقة أكسيد البلاتين الإضافية الناتجة عن أشعة جاما أيضًا كحاجز أمام الإلكترونات الواردة. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى جهد أعلى لضبط الممرستور. باستخدام هذه المعرفة، تمكن الباحثون من إنشاء دائرة بسيطة تقيس كميات الإشعاع عن طريق فحص الجهد المطلوب لضبط الممرستور. ويعني الجهد العالي أن الجهاز تعرض لمزيد من الإشعاع.

من الحالة المنتظمة، يشكل الممرستور جسرًا موصلًا مستقرًا. تحت الإشعاع، تخلق طبقة أكثر سمكًا من أكسيد التيتانيوم جسرًا موصلًا أبطأ وأضعف.أوم كومار وآخرون./رسائل جهاز الإلكترون IEEE

لكن الأعجوبة الحقيقية لهذه الذاكرات المصنوعة من أكسيد الهافنيوم هي قدرتها على الشفاء الذاتي بعد جرعة كبيرة من الإشعاع. عالج الباحثون الممرستور بـ 5 ميغا راد من الإشعاع، أي 500 مرة أكثر من الجرعة المميتة لدى البشر. وبمجرد إزالة إشعاع جاما، تبددت طبقات أكسيد التيتانيوم وأكسيد البلاتين تدريجيًا، وعادت ذرات الأكسجين لتشكل أكسيد الهافنيوم مرة أخرى. بعد 30 يومًا، بدلًا من أن تظل تتطلب جهدًا أعلى من المعتاد لتكوينها، تطلبت الأجهزة التي تعرضت للإشعاع نفس الجهد لتكوين الأجهزة التي لم يتم لمسها.

يقول: “إن ما يفعلونه مثير للغاية”. بافل بوريسوف، باحث في جامعة لوبورو بالمملكة المتحدة يدرس كيفية استخدام الميمريستورات تقليد نقاط الاشتباك العصبي في الدماغ البشري. أجرى فريقه تجارب مماثلة باستخدام ممريستور يعتمد على أكسيد السيليكون، ووجد أيضًا أن الإشعاع غيّر سلوك الجهاز. لكن في تجارب بوريسوف، لم تشفى الممريستورات بعد الإشعاع.

تتميز أجهزة Memristors بأنها بسيطة، وخفيفة الوزن، ومنخفضة الطاقة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات الفضائية. في المستقبل، يأمل سيمانجونتاك في استخدام الميمرستورات لتطوير أجهزة ذاكرة مقاومة للإشعاع والتي من شأنها تمكين الأقمار الصناعية في الفضاء من إجراء العمليات الحسابية على متنها. “يمكنك استخدام الميمريستور لتخزين البيانات، ولكن يمكنك استخدامه أيضًا للحساب“، كما يقول، “حتى تتمكن من جعل كل شيء أبسط، وخفض التكاليف أيضًا.”

هذا بحث وقد تم قبوله للنشر في العدد القادم من مجلة رسائل الجهاز الإلكتروني.