Учёные сделали шаг на пути к решению вопроса интеграции мемристоров в традиционные электронные схемы
Учёные Университета Лобачевского совместно с коллегами из России (Научно-исследовательский институт молекулярной электроники, Зеленоград) и США (Университет Южной Каролины) впервые продемонстрировали хаотическую динамику индивидуального мемристора. Детерминированный хаос объясняет экспериментальный разброс характеристик мемристивного устройства.
Соответствующая работа опубликована в журнале Chaos, Solitons & Fractals (импакт-фактор – 3.764 (Q1), JCR 2019) при поддержке 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.
Всемирно известный профессор Калифорнийского университета в Беркли и давний друг нижегородского университета Леон Чуа ещё в 1971 году предсказал наличие мемристора как «потерянного» четвёртого пассивного элемента электрических цепей, который может изменять своё сопротивление в зависимости от протекающего через него электрического заряда (memristor = memory resistor).
Это исходное определение вызывает дискуссии и споры учёных, особенно после того, как мемристивный эффект был в 2008 году соотнесён с эффектом резистивного переключения в простой тонкоплёночной структуре «металл-оксид-металл». Независимо от этого справедливым остаётся обобщённое определение мемристора как динамической системы, которое Леон Чуа ввёл в 1976 году.
С одной стороны, это универсальное определение позволяет связать произвольный набор динамических переменных на системном уровне с конкретными физико-химическими явлениями, которые отвечают за изменение сопротивления материала на уровне микроскопическом. С другой стороны, оно даёт возможность использовать богатый арсенал методов нелинейной динамики для интерпретации и предсказания «живого» поведения реальных мемристивных устройств в составе мозгоподобных нейросетевых архитектур.
Эти возможности были успешно использованы в новой работе для того, чтобы описать сложную динамику мемристора в модели второго порядка под внешним воздействием. В качестве динамических переменных выбраны длина проводящей области (филамента) и заряд, динамически накапливающийся на дефектных центрах в оксидном слое. Модель состоит из двух автономных дифференциальных уравнений и одного алгебраического, зависящего от внешнего управления, заданного периодическим во времени сигналом.
В численном эксперименте получены различные периодические режимы, перемешивание и хаотическая динамика. В пространстве трёх параметров модели построены фазовые диаграммы, свидетельствующие о наличии хаотического аттрактора. Наиболее интересным результатом с практической точки зрения является то, что нестабильность характеристик резистивного переключения, которая всегда является камнем преткновения на пути к интеграции мемристоров в традиционные электронные схемы, может быть интерпретирована как проявление хаотической динамики его внутренних переменных состояния.
