Учёные подтвердили явление стохастического резонанса на основе тонкопленочной структуры «металл-оксид-металл»
Учёные Университета Лобачевского совместно с коллегами из Испании и Италии подтвердили явление стохастического резонанса в мемристивных устройствах на основе тонкопленочной структуры «металл-оксид-металл». Данное явление позволяет с помощью внешнего шума улучшать параметры отклика мемристивного устройства на управляющее воздействие.
Соответствующая работа опубликована в журнале Chaos, Solitons & Fractals (импакт-фактор – 3.764 (Q1), JCR 2019) и выполнена в рамках мегагранта Правительства Российской Федерации (Соглашение №074-02-2018-330), реализуемого в Лаборатории стохастических мультистабильных систем (StoLab) научно-образовательного центра «Физика твердотельных наноструктур» ННГУ под руководством ведущего учёного – профессора Бернардо Спаньоло.
Мемристивные устройства на основе эффекта резистивного переключения в тонкопленочных структурах «металл-оксид-металл» привлекают серьезное внимание исследователей и инженеров в связи с перспективами их использования в новой элементной базе для запоминающих устройств (Resistive Random Access Memory, RRAM), нейроморфных вычислительных систем, а также нейрогибридных систем, призванных не только решить фундаментальные проблемы современных архитектур информационно-вычислительных систем, но и сделать следующий шаг к их симбиозу с биологическими (нейрональными) системами.
Изменение резистивного состояния в таких устройствах обеспечивается разрушением и восстановлением проводящих каналов (филаментов) в оксидных пленках благодаря сочетанию целого ряда транспортных явлений под действием градиентов концентрации, электрического поля и температуры, а также реакций окисления-восстановления. Эти физико-химические явления протекают в разных временных масштабах и условиях, далеких от равновесия, поэтому мемристивный эффект носит ярко выраженный стохастический характер, затрудняющий применение мемристоров в традиционных электронных схемах.
Основная идея проекта, выполняющегося в ННГУ, состоит в том, что мемристор – это мультистабильная стохастическая система, а шумы и флуктуации – это неотъемлемая сторона мемристивного эффекта, которую можно выгодно использовать вместо того, чтобы бороться с ней. Исследования последних лет убедительно показали, что в подобных нелинейных системах воздействие шума может индуцировать новые более упорядоченные режимы, приводить к образованию более регулярных структур, увеличивать степень когерентности, вызывать рост коэффициента усиления и увеличение отношения сигнал/шум и т.д. Другими словами, шум в нелинейных системах, далеких от равновесия, может играть конструктивную роль, вызывая рост степени порядка в системе.
Среди явлений, характеризующихся конструктивной ролью шума и составляющих предмет интенсивно развивающейся области статистической физики, можно выделить стохастический резонанс, наблюдающийся в различных нелинейных системах, находящихся под одновременным воздействием шума и когерентной, обычно периодической, силы. При некоторых условиях увеличение интенсивности внутреннего или внешнего шума приводит к усилению среднего отклика на внешнее воздействие. При этом амплитуда отклика системы описывается функцией резонансного типа, в которой аргументом является уровень шума.
В данной работе это явление было впервые изучено как экспериментально, так и теоретически для технологически отработанной мемристивной структуры на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония и оксида тантала, демонстрирующей биполярное резистивное переключение филаментного типа. Влияние белого гауссовского шума, наложенного на допороговый синусоидальный управляющий сигнал (недостаточный по амплитуде для регулярного переключения), было проанализировано как на основе большой статистики по параметрам резистивного переключения, так и по спектральному отклику на периодическое возмущение в виде отношения сигнал / шум на выходе нелинейной системы. Выявленные закономерности свидетельствуют о стабилизации резистивного переключения и максимальной мемристивности (максимальном диапазоне резистивных состояний) при оптимальной интенсивности шума.
Такой результат полностью соответствует классическому явлению стохастического резонанса и впервые интерпретирован авторами с помощью стохастической модели мемристора, учитывающей внешний шум, добавленный к управляющему напряжению. Полученный результат подтвердил, что шум и флуктуации могут играть конструктивную роль в нелинейных мемристивных системах, далеких от равновесия.
Полная ссылка на статью:
Stochastic Resonance in Metal-Oxide Memristive Device / A.N. Mikhaylov, D.V. Guseinov, A.I. Belov, D.S. Korolev, V.A. Shishmakova, M.N. Koryazhkina, D.O. Filatov, O.N. Gorshkov, D. Maldonado, F.J. Alonso, J.B. Roldán, N.V. Agudov, A.A. Dubkov, A.V. Krichigin, A. Carollo, B. Spagnolo // Chaos, Solitons & Fractals. – 2021. – Vol.144. – P.110723. DOI: 10.1016/j.chaos.2021.110723
Демонстрация классического эксперимента для подтверждения явления стохастического резонанса, который состоит в приложении периодического управляющего сигнала к нелинейной системе с амплитудой, недостаточной для того, чтобы вызвать регулярный отклик системы на периодический сигнал. По мере увеличения уровня шума, добавленного к управляющему сигналу, реакция системы становится регулярной, и, когда достигается оптимальный уровень шума, реализуется максимальное отношение сигнал / шум. При дальнейшем увеличении уровня шума поведение системы определяется уже не управляющим периодическим сигналом, а динамикой системы под воздействием шума.
УНИВЕРСИТЕТ ЛОБАЧЕВСКОГО. НОВЫЙ КЛАССИЧЕСКИЙ. SINCE 1916. SСIENCE 100%.
