Pamięć tlenku wanadu. W szkle zapisane
Cyfrowa pamięć komputerowa przechowuje wartości po jednej naraz, albo zero, albo jeden. Tak się popularnie mówi, ale co to w sensie fizycznym znaczy? "0" i "1" to nic innego jak odpowiedniki stanów elektronów, z natury nietrwałych. Bloki pamięci roboczej w komputerze, na przykład tej określanej jako RAM lub jako cache, są ni mniej, ni więcej tylko więzieniami elektronów. Tam, w każdej "więziennej celi", czyli w komórce pamięci, komputer ma możliwość sprawdzenia, czy jest "zajęta" przez elektron, czy "pusta". To są właśnie owe jedynki i zera zapisu binarnego. Jeśli zabraknie prądu utrzymującego zamknięcie drzwi celi, elektrony uciekają na wolność i pamięć jest utracona.
W rzeczywistości współcześnie opis działania pamięci typu RAM jest o wiele bardziej złożony, ale tu w uproszczeniu można to tak opisać w celu skontrastowania zasady jej działania z niezwykłymi właściwościami zeszklonego związku wanadu.
Okazało się, że szkło utworzone z dwutlenku wanadu (VO2) wydaje się zachowywać pamięć w zupełnie inny sposób. "Pamięta" bowiem nie tylko stany "pełne" czy "puste", ale również szereg innych stanów, jak również to, kiedy informacja została zapisana. Dzieje się to bez konieczności "chwytania" i "przetrzymywania w niewoli" elektronów, a nawet bez konieczności dostarczania ciągłego zasilania.
Eksperci podejrzewają, że zdolność szkła VO2 do zachowania tego rodzaju pamięci jest prawdopodobnie związana z właściwościami szklanej struktury jako całości. Materiały krystaliczne mają sztywną strukturę atomów ulokowanych w określonych pozycjach. Natomiast szkło ma strukturę amorficzną, w której atomy są upakowane blisko siebie, ale ich układ to gigantyczny bałagan, niemający nic wspólnego z porządkiem typowym dla kryształu.
Procedura zapisu pamięciowego w VO2 zaczyna się od uporządkowanego kryształu. Poddając go impulsom elektrycznym, wprowadza się wartości zapisu pamięciowego a zarazem przekształca kryształ w szkło. Pamięć jest odczytywana przez ponowne impulsowanie, co powoduje ponowne przekształcenie szklanej struktury VO2 w kryształ. Transformacja zajmuje pewien czas, ponieważ atomy przesuwają się z przypadkowych pozycji z powrotem do stanu uporządkowanego. Czas ten zależy od tego, jak dawno temu tlenek wanadu został zeszklony i ile impulsów było do tego potrzebnych.
Przyczyny zapamiętywania przez szkło pewnych zakresów wartości nie są do końca jasne. Najciekawsze jest to, że pamięć ta nie opiera się, jak w znanych nam układach, na elektronach. Autorzy wykazali to w eksperymentach z wykorzystaniem lasera do zmiany liczebności elektronów w szkle i nie wykazali żadnych zmian w stanie pamięci. Jest więc prawdopodobne, że pamięć jest związana z całościowo rozumianym układem atomów, co nasuwa analogię ze sposobami zapisywania i utrwalania pamięci w mózgu ludzkim, gdzie polega to na aktywności wielu połączonych ze sobą obszarów bez konkretnego miejsca, jakiejkolwiek lokalizowanej punktowo "komórki" pamięci w mózgu.
Impuls prądu elektrycznego, który odczytuje pamięć, nie jest w stanie przejść przez szkło. Musi utworzyć łańcuch przewodzących (krystalicznych) atomów, aby dotrzeć do miejsca, gdzie zostanie odczytany. W jakiś sposób nieuporządkowany układ atomów szkła jest dostosowany do przechowywanej pamięci. Choć dokładny przebieg tego zjawiska nie jest znany, to czas, jakiego potrzebuje impuls do przekształcenia VO2 z postaci szklanej do krystalicznej, może niezawodnie określić, jaka liczba impulsów została wprowadzona do pamięci w określonym przedziale czasowym.
W czasie, gdy pamięć przechowuje wartości, jej wewnętrzna struktura wydaje się nieznacznie ewoluować. Może to powodować dryfowanie odczytanej wartości. To wada, ale można ją skorygować, ewentualnie wykorzystać w aplikacjach wymagających zmiennych w czasie wartości.
Cenną zaletą pamięci bazującej na szkle VO2 jest to, że może ona utrzymać wartości przez co najmniej trzy godziny bez zasilania, a być może znacznie dłużej. Pomyślnie wdrożona pamięć "nieulotna" tego rodzaju pozwoliłaby urządzeniom działać w stanie uśpienia bez zużywania baterii. Inną praktyczną jej właściwością jest to, że chociaż nie przechowuje ona pamięci za pomocą elektronów, jej wartość może być zarówno ustalona, jak i odczytana przez elektrony. Może to pozwolić na jej zintegrowanie z istniejącymi obwodami komputerowymi.
Wydaje się jednak, że wypadałoby zrozumieć naturę "zapisu pamięciowego" w szklanym tlenku wanadu, zanim zaczniemy podejmować próby jej praktycznego wdrożenia.
Mirosław Usidus
