.Topological defects can trigger a transformation from insulating to conductive behavior in Mott materials

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.Topological defects can trigger a transformation from insulating to conductive behavior in Mott materials

위상 결함은 Mott 재료에서 절연성에서 전도성 동작으로의 변환을 유발할 수 있습니다

절연재료의 구조상의 불량은 도체로의 변환을 허용할 수 있습니다.

성심 가톨릭 대학교 에서 모노클리닉 V 2 O 3 의 나노텍스처 . 출처: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53726-z, November 15, 2024

브레시아 캠퍼스의 카톨리카 대학교 연구원들은 특정 재료의 절연성에서 전도성으로의 전환이 구조의 위상적 결함으로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다. 구체적으로, Nature Communications 에 게재된 한 연구 에 따르면, 기존의 절연체와는 근본적으로 다른 절연체 유형인 소위 "Mott 재료"는 절연 상태에서 전도 상태로 전환할 수 있으며(이 과정을 "저항 스위칭"이라고 함) 결정 구조의 위상 결함 으로 인해 상태를 정확하게 변경할 수 있습니다 . 특정 바나듐 산화물(V₂O₃)에 대해 특별히 수행된 이 연구는 이러한 결함이 이 전환을 촉발한다는 것을 보여줍니다.

이 연구는 대학의 수학 및 물리학과에 있는 첨단 재료 물리학의 학제간 연구실 소장인 클라우디오 지아네티 교수가 조정했습니다. 이 연구는 IMDEA Nanociencia, KU Leuven, SISSA 및 Diamond Light Source와 협력하여 수행되었습니다. 바나듐 산화물 V₂O₃는 온도나 전기장 의 영향으로 전기적, 광학적 특성이 빠르게 변하는 능력 , 즉 "모트 상 전이"라고 알려진 현상 으로 연구되는 물질입니다 .

주로 투명도를 제어하고 햇빛을 조절하는 스마트 윈도우, 고속 메모리 장치 및 스위치용 고급 전자 장치 및 저항성 메모리, 빛과 열에 반응하는 렌즈 및 필터와 같은 광학 장치 에 사용됩니다 . 바나듐 산화물은 전력 전자 장치, 에너지 절약 기술 및 신경형 컴퓨팅 장치 응용 분야에 유망합니다. 연구진은 고급 X선 현미경 기술을 사용해 전기적 장력 하에서 나노 스케일에서 금속 채널이 형성되는 과정을 관찰했습니다. 위상적 결함. 출처: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53726-z "저항성 스위칭은 강한 전기장의 작용으로 인해 고체 소자의 전기적 특성이 갑자기 변하는 근본적인 과정입니다." 이 연구의 주저자인 브레시아 가톨릭 대학교의 알레산드라 밀로크가 설명했습니다.

"이 프로세스는 기술적 관련성에도 불구하고 이전에는 확률적 성격을 띠고 지역적이고 통제할 수 없는 변동에 의해 주도되는 것으로 여겨졌습니다. 우리는 더 깊이 파고들어 얇은 V₂O₃ 필름에 증착된 두 개의 금속 접촉으로 구성된 평면 장치에서 이 현상의 진정한 본질을 조사하기로 했습니다. 이는 Mott 절연체의 가장 유명한 예 중 하나입니다." "Mott 절연체는 격자 전체를 이동하는 전자 간의 강력한 상호 작용으로 인해 낮은 전도도가 결정되기 때문에 기존 절연체와 근본적으로 다릅니다."라고 마드리드 IMDEA Nanociencia의 Ignacio Figueruelo가 덧붙여 말했습니다. "이러한 종류의 물질은 많은 전이 금속 산화물 로 구성되어 있으며, 인가 전압 과 같은 외부 매개변수를 약간만 변경해도 전기적 특성이 극적으로 변하고 단위 셀당 약 1개 정도의 전도 전자가 방출됩니다. 이는 도핑을 통해 기존 반도체에서 달성할 수 있는 것보다 수십 배 더 큰 수치입니다.

"이러한 본질적인 비선형성은 이러한 재료를 새로운 장치 계열의 구성 요소 로 사용할 수 있는 가능성에 대한 엄청난 관심을 불러일으켰고 , 이로 인해 Mottronics라는 새로운 분야가 개발되었습니다." 전문가들은 이러한 전환이 무작위적인 것이 아니라 구조물의 지형에 있는 결함으로 인해 발생한다는 것을 발견했습니다. IMDEA Nanociencia의 코디네이터 중 한 명인 Mariela Menghini는 "이전 실험에서 우리는 이 재료의 절연 기본 상태가 본질적으로 불균일하고 경계가 잘 정의된 수학적 규칙을 따르는 줄무늬 나노미터 도메인의 공간적 나노텍스처를 형성한다는 것을 발견했습니다.

이러한 제약 조건이 일부 특이한 교차점에서 존중되지 않으면 나노미터 위상 결함이 형성됩니다. "실제로, 잘 정의된 임계 전압이 극복될 때 절연체-금속 스위칭이 일어나는 것은 바로 이러한 특정 지점입니다. 이 독특한 나노텍스처 Mott 절연 상태의 관찰은 KU Leuven의 Jean-Pierre Locquet 교수 그룹이 성장시킨 고품질 V 2 O 3 샘플 덕분에 가능했습니다." "이 발견을 위해서는 재료의 나노 질감에 민감한 나노미터 현미경과 측정 중에 현장 전압을 인가하는 기능을 결합한 최첨단 실험이 필요했습니다." Università Cattolica의 물리학 정교수인 Giannetti 교수가 설명했습니다.

"우리는 영국의 Diamond Light Source 연구실에서 이 실험을 수행했는데, 여기서는 장치에 임계치 이상의 전압을 인가하는 동안 금속 채널 형성의 이미지를 포착할 수 있었습니다. 이 발견은 이러한 재료에서 절연체에서 금속으로 변환되는 메커니즘을 밝혀주기 때문에 중요합니다. "저희의 실험 결과는 SISSA의 미셸 파브리지오 교수가 개발한 이론적 모델에 의해 잘 뒷받침됩니다. 변환이 위상 결함에 의해 트리거된다는 새로운 지식을 바탕으로, 저희는 이러한 결함을 파악하고 저항성 스위칭 프로세스를 제어하는 새로운 실험을 설계할 수 있으며, 전례 없는 속도로 작동하고 전력 소모가 극히 낮은 프로세스 및 엔지니어링 장치에 대한 완전한 제어를 달성하는 것이 목표입니다."

예를 들어, 이 발견 덕분에 저항성 메모리(ReRAM)를 포함한 다양한 유형의 혁신적 장치를 개발할 수 있을 것입니다. 저항성 메모리는 위상 결함을 사용하여 절연 상태와 전도 상태 사이를 전환하여 저항을 변경하여 데이터를 저장하는 장치입니다. 이러한 장치는 기존 메모리보다 빠르고 에너지 효율적일 것입니다. 또한, 인공 지능에 사용하기 위해 인간의 시냅스를 모방하는 신경모사 장치와 다양한 유형의 전자 제품에서 에너지 소비를 줄이기 위한 저에너지 전기 스위치를 개발할 수도 있습니다. 이러한 장치는 컴퓨터에서 고급 인공 지능 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 컴퓨팅 및 메모리 시스템의 효율성과 성능을 향상시킬 수 있다고 연구는 결론지었습니다.

추가 정보: Alessandra Milloch et al, 위상 결함에 의해 시작된 Mott 저항성 스위칭, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53726-z 저널 정보: Nature Communications 가톨릭성심대학교 제공

https://phys.org/news/2024-11-topological-defects-trigger-insulating-behavior.html

b메모 2411170347 소스1.분석_[n】

1.
위상 결함은 [1]Mott 재료에서 절연성에서 전도성 동작으로의 변환을 유발]할 수 있다. 연구원들은 특정 재료의 절연성에서 전도성으로의 전환이 구조의 위상적 결함으로 인해 발생한다는 것을 발견했다.

_[1】소스1.의 좀 정리하고 나서야 내생각이 나타났다. mott 절연체 물질은 ems와 qpoms와 중간구역의 결정구조로 보였다. 그런데 그것은 마치 완성된 퍼즐의 약간씩 위치변경으로 일부러 결함구조로 불안정하게 만들어놓은 모습 같았다. 허허. 진짜가 놓여야 할 곳에 가짜를 놓은거나 상대적으로 정답을 시험에서 수험생이 모르는 정답과 같다. 어허.

그 규모가 엄청나다. 텅빈 격자의 ems에 몇개만 놓인 1들로 qpoms가 나타난 덜채워지거나 답이 변경된 모습 같다. 이는 qpoms입장에서는 고향과 같은 곳이다. 몇개만으로도 더 잘채워서 qpoms가 된 bima(base intermediate area) ms이다. 텅빈 곳에 중간지대에 몇개의 원자들이 놓여서 전체를 채운 qpems 모습이다.

2.
기존의 절연체와는 근본적으로 다른 절연체 유형인 소위 "Mott 재료"는 절연 상태에서 전도 상태로 전환할 수 있으며(이 과정을 "저항 스위칭"이라고 함) 결정 구조의 위상 결함으로 인해 상태를 정확하게 변경할 수 있다 . 특정 바나듐 산화물(V₂O₃)에 대해 특별히 수행된 이 연구는 이러한 결함이 이 전환을 촉발한다는 것을 보여준다.

바나듐 산화물 V₂O₃는 온도나 전기장 의 영향으로 전기적, 광학적 특성이 빠르게 변하는 능력 , 즉 "모트 상 전이"라고 알려진 현상 으로 연구되는 물질이다 .

주로 투명도를 제어하고 햇빛을 조절하는 스마트 윈도우, 고속 메모리 장치 및 스위치용 고급 전자 장치 및 저항성 메모리, 빛과 열에 반응하는 렌즈 및 필터와 같은 광학 장치 에 사용된다 . 바나듐 산화물은 전력 전자 장치, 에너지 절약 기술 및 신경형 컴퓨팅 장치 응용 분야에 유망하다.

3.
저항성 스위칭은 강한 전기장의 작용으로 인해 고체 소자의 전기적 특성이 갑자기 변하는 근본적인 과정이다. 이 프로세스는 기술적 관련성에도 불구하고 이전에는 확률적 성격을 띠고 지역적이고 통제할 수 없는 변동에 의해 주도되는 것으로 여겨졌다. 우리는 더 깊이 파고들어 얇은 V₂O₃ 필름에 증착된 두 개의 금속 접촉으로 구성된 평면 장치에서 이 현상의 진정한 본질을 조사하기로 했다. 이는 Mott 절연체의 가장 유명한 예 중 하나이다.

4.
Mott 절연체는 격자 전체를 이동하는 전자 간의 강력한 상호 작용으로 인해 낮은 전도도가 결정되기 때문에 기존 절연체와 근본적으로 다르다.

이러한 종류의 물질은 많은 전이 금속 산화물 로 구성되어 있으며, 인가 전압 과 같은 외부 매개변수를 약간만 변경해도 전기적 특성이 극적으로 변하고 단위 셀당 약 1개 정도의 전도 전자가 방출됩니다. 이는 도핑을 통해 기존 반도체에서 달성할 수 있는 것보다 수십 배 더 큰 수치이다.

이러한 본질적인 비선형성은 이러한 재료를 새로운 장치 계열의 구성 요소로 사용할 수 있는 가능성에 대한 엄청난 관심을 불러일으켰고 , 이로 인해 Mottronics라는 새로운 분야가 개발되었다.

전문가들은 이러한 전환이 무작위적인 것이 아니라 구조물의 지형에 있는 결함으로 인해 발생한다는 것을 발견했다.

이 발견 덕분에 저항성 메모리(ReRAM)를 포함한 다양한 유형의 혁신적 장치를 개발할 수 있을 것이다. 저항성 메모리는 위상 결함을 사용하여 절연 상태와 전도 상태 사이를 전환하여 저항을 변경하여 데이터를 저장하는 장치이다. 이러한 장치는 기존 메모리보다 빠르고 에너지 효율적일 것이다.

또한, 인공 지능에 사용하기 위해 인간의 시냅스를 모방하는 신경모사 장치와 다양한 유형의 전자 제품에서 에너지 소비를 줄이기 위한 저에너지 전기 스위치를 개발할 수도 있다. 이러한 장치는 컴퓨터에서 고급 인공 지능 시스템에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 컴퓨팅 및 메모리 시스템의 효율성과 성능을 향상시킬 수 있다고 연구는 결론지었다.

bMemo 2411170347 Source1. Analysis_[n]

1.
Topological defects can [1] induce a transition from insulating to conductive behavior in Mott materials. Researchers have found that the transition from insulating to conductive behavior in certain materials is caused by topological defects in the structure.

_[1] After organizing Source1, my thoughts came to me. Mott insulator materials appeared to have a crystal structure of ems and qpoms and an intermediate region. However, it seemed like a slightly changed position of a completed puzzle that was intentionally made unstable with a defective structure. Hehe. It's like putting a fake where the real one should be, or a relatively correct answer that the test taker doesn't know. Oh my.

The scale is enormous. It looks like an underfilled or changed answer where qpoms appear with only a few 1s in the ems of an empty grid. This is like home to qpoms. This is a bima (base intermediate area) ms that is filled with just a few more atoms to become qpoms. This is the appearance of qpems where a few atoms are placed in the middle of the empty space to fill the entire space.

2.
A fundamentally different type of insulator than conventional insulators, the so-called "Mott materials" can switch from an insulating state to a conducting state (this process is called "resistive switching") and can precisely change the state due to topological defects in the crystal structure. This study, conducted specifically on a particular vanadium oxide (V₂O₃), shows that these defects trigger this transition.

Vanadium oxide V₂O₃ is a material studied for its ability to rapidly change its electrical and optical properties under the influence of temperature or electric fields, a phenomenon known as the "Mott phase transition."

It is mainly used in advanced electronics such as smart windows that control transparency and sunlight, high-speed memory devices and switches, and optical devices such as resistive memory, lenses and filters that react to light and heat. Vanadium oxide holds promise for applications in power electronics, energy-saving technologies and neuromorphic computing devices.

3.
Resistive switching is a fundamental process in which the electrical properties of solid-state devices change abruptly due to the action of a strong electric field. Despite its technological relevance, this process was previously thought to be stochastic in nature and driven by local and uncontrollable fluctuations. We decided to dig deeper and investigate the true nature of this phenomenon in planar devices consisting of two metal contacts deposited on a thin V₂O₃ film, one of the most famous examples of Mott insulators.

4.
Mott insulators are fundamentally different from conventional insulators because their low conductivity is determined by the strong interaction between electrons moving throughout the lattice.

This class of materials consists of many transition metal oxides, and even a slight change in external parameters such as the applied voltage dramatically changes the electrical properties, leading to the release of about one conduction electron per unit cell, which is several orders of magnitude greater than what can be achieved in conventional semiconductors through doping.

This intrinsic nonlinearity has sparked enormous interest in the potential of using these materials as components for a new class of devices, which has led to the development of a new field called Mottronics.

The researchers found that these transitions are not random, but are caused by defects in the topography of the structure.

This discovery could lead to the development of a range of innovative devices, including resistive RAM (ReRAM), which uses topological defects to change resistance by switching between insulating and conducting states to store data. Such devices could be faster and more energy efficient than conventional memory.

They could also lead to the development of neuromorphic devices that mimic human synapses for use in artificial intelligence, and low-energy electrical switches to reduce energy consumption in various types of electronics. Such devices could improve the efficiency and performance of computing and memory systems in a range of applications, from computers to advanced artificial intelligence systems, the study concludes.

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0

sample msoss

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.Mott materials for artificial intelligence

인간의 뇌는 약 10^11개의 뉴런과 10^15개의 시냅스를 가지고 있으며 약 10와트만 필요합니다. 그 정도의 상호 연결과 전력 효율은 실리콘 전자 장치로는 달성할 수 없습니다. 신경망으로 구성된 새로운 파괴적 기술이 필요합니다. 그러나 인공 시냅스와 인공 뉴런의 구현은 여전히 큰 과제입니다. 저희 팀은 뉴런이 Mott 절연체라고 알려진 양자 물질로 만들어질 수 있음을 보여주었습니다. 저희는 Mott 절연체를 지배하는 비평형 물리학과 그것들이 어떻게 신경형 네트워크를 형성할 수 있는지에 대한 결정적인 이론적 이해를 목표로 합니다. J. del Valle, J.G. Ramírez, M.J. Rozenberg, I.K. Schuller. 저항성 스위칭 기반 신경형 컴퓨팅을 위한 재료 및 장치의 과제, Journal of Applied Physics 124, 211101(2018).

https://equipes2.lps.u-psud.fr/theorie/mott-materials-for-artificial-intelligence/

Mott materials for artificial intelligence

https://equipes2.lps.u-psud.fr/theorie/mott-materials-for-artificial-intelligence/