นักวิจัยชาวอเมริกันค้นพบ พลส์ 7 โวลต์ สามารถเปลี่ยนโครงสร้างภายในของนิลมणि

นักวิจัยชาวอเมริกันค้นพบล่าสุดว่า การ施加พลส์ 7 โวลต์ ให้กับม้วนฟิล์มอิเล็กทรอนิกส์ที่บางมาก สามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของนิลมणिที่อยู่ด้านล่าง นักวิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ (Argonne National Laboratory) ภายใต้กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา พบว่าผลกระทบดังกล่าวสามารถขยายตัวเข้าสู่ภายในนิลมันได้หลายสิบไมโครเมตร ซึ่งลึกกว่าความหนาของม้วนฟิล์มเองมาก ดร. ซาฮีร์ อิสลาม (Zahir Islam) นักฟิสิกส์ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ และผู้ร่วมเขียนงานวิจัยชิ้นนี้ ระบุว่าการค้นพบนี้ท้าทายสมมติฐานที่พบได้ทั่วไปในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งคือ วัสดุฐานที่อยู่ใต้ม้วนฟิล์มทำหน้าที่เพียงเป็นเพียงการสนับสนุนแบบนิ่งๆ แต่ในความเป็นจริง นิลมันจะแสดงการตอบสนองขณะที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงาน และมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของม้วนฟิล์มที่อยู่ด้านบน

เขาเน้นว่า:「นี่เป็นการสังเกตที่อาจนำไปสู่การเปลี่ยนแบบอย่าง (paradigm shift) ไม่สามารถสมมติได้อย่างง่ายๆ ว่าวัสดุฐานและลักษณะหรือพฤติกรรมของอุปกรณ์ไม่เกี่ยวข้องกัน」

การตอบสนองที่ไม่คาดคิดของวัสดุฐานนิลมणि

ในงานวิจัยครั้งนี้ นักวิจัยได้ตรวจสอบม้วนฟิล์มวานาเดียมไดออกไซด์ (VO2) ที่เจริญเติบโตบนนิลมणि ซึ่งสามารถเปลี่ยนจากตัวกันไฟฟ้าเป็นตัวนำไฟฟ้าเมื่อมีการ施加แรงดันไฟฟ้า วานาเดียมไดออกไซด์ มักใช้ในสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ไร้สาย ระบบแสงเรียนรู้ได้ และหน้าต่างอัจฉริยะ วัสดุนี้ยังอยู่ในขั้นตการสำรวจใช้สำหรับเมมอริสเตอร์ (memristor) ซึ่งเป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถจดจำข้อมูลสัญญาณไฟฟ้าก่อนหน้าได้ ทำให้น่าสนใจสำหรับการคำนวณแบบประสาทเทียม (neuromorphic computing) ในอุปกรณ์ที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษา การ施加แรงดันไฟฟ้าได้กระตุ้นการเปลี่ยนแปลงจากตัวกันไฟฟ้าเป็นตัวนำไฟฟ้าในพื้นที่เฉพาะ ซึ่งสร้างเส้นด้ายตัวนำไฟฟ้าที่แคบภายในม้วนฟิล์มตัวกันไฟฟ้า

นักวิทยาศาสตร์ใช้แหล่งฟอตอนขั้นสูง (Advanced Photon Source) ของอาร์กอนน์ เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างลึก วิธีนี้ช่วยให้พวกเขาสามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในอุปกรณ์และใต้ผิวได้ พวกเขาพบว่า เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เส้นด้ายตัวนำไฟฟ้าจะขยายตัว ในขณะเดียวกันก็สร้างแรงเครียดที่ไม่สม่ำเสมอในนิลมันที่อยู่ด้านล่าง การบิดเบี้ยวนี้ลึกเข้าไปในวัสดุฐานที่แข็งแรงได้หลายสิบไมโครเมตร ซึ่งเกินกว่าที่พวกเขาคาดการณ์ไว้เพียงจากการให้ความร้อนเพียงอย่างเดียว

ดร. เอลเลียท คิซีเอล (Elliot Kisiel) นักได้รับทุนมารีอา กอเปิร์ท-เมเยอร์ (Maria Goeppert Mayer) ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์ และผู้เขียนหลักของงานวิจัยนี้ ระบุว่าทีมงาน起初สงสัยว่าการตอบสนองที่ไม่คาดคิดของวัสดุฐานนิลมันเป็นผลิตภัณฑ์ของวัตถุทดลอง (experimental artifact) วัตถุทดลองหมายถึงข้อผิดพลาดหรือผลลัพธ์ที่นำพาทางผิดซึ่งเกิดจากการทดลองเอง ไม่ใช่ปรากฏการณ์ที่กำลังศึกษา คิซีเอลอธิบายในคำประกาศข่าวว่า:「เนื่องจากผลลัพธ์น่าประหลาดมาก เราจึงได้ทำการทดสอบหลายครั้งบนอุปกรณ์หลายชิ้น ตัวอย่างหลายชิ้น ความหนาของม้วนฟิล์มที่แตกต่างกัน และแม้แต่วัสดุฐานที่ต่างกัน ผลกระทบดังกล่าวมีอยู่ตลอดเวลา」 คิซีเอลมั่นใจว่า เมื่อขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลดลง และระยะห่างระหว่างส่วนประกอบเข้าใกล้กันมากขึ้น การค้นพบนี้จะกลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่งขึ้น

การประยุกต์ใช้ในการคำนวณแบบประสาทเทียมที่เป็นไปได้

ตัวอย่างเช่น กิจกรรมในอุปกรณ์หนึ่งอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกลศาสตร์ในวัสดุฐานที่ใช้ร่วมกัน ซึ่งส่งผลต่ออุปกรณ์ใกล้เคียง แม้ว่าสิ่งนี้อาจก่อให้เกิดปัญหา แต่ก็สามารถนำไปใช้ในการคำนวณแบบประสาทเทียมได้ โดยให้อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกันจำลองวิธีที่สมองประมวลผลข้อมูล

อิสลามสรุปว่า:「ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของแหล่งฟอตอนขั้นสูงของอาร์กอนน์ ทำให้เราสามารถศึกษาอุปกรณ์มากขึ้นในเวลาเบม (beam time) ที่สั้นลง และบันทึกข้อมูลโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนและมีความนिष्ठาสูงได้」 งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science

บทบาทใหม่ของนิลมणिในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุฐานนิลมันไม่ได้เป็นเพียงการสนับสนุนแบบนิ่งๆ อีกต่อไป แต่สามารถมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของม้วนฟิล์มได้อย่าง主动 การค้นพบนี้ท้าทายสมมติฐานดั้งเดิมของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ลดลงเรื่อยๆ การมีอิทธิพลซึ่งกันและกันระหว่างส่วนประกอบจะกลายเป็นสิ่งชัดเจนยิ่งขึ้น ซึ่งอาจส่งผลลึกซึ้งต่อการออกแบบและการทำงานของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต โดยเฉพาะในสาขาการคำนวณแบบประสาทเทียม การเปลี่ยนแปลงทางกลศาสตร์ของวัสดุฐานประเภทนี้อาจถูกนำมาใช้เพื่อจำลองวิธีการประมวลผลข้อมูลของสมอง เปิดโอกาสการประยุกต์ใช้ใหม่ๆ