Фото. Прибор и конфигурация для измерения сверхбыстрого переключения сегнетоэлектрика: зонды GSG слева и справа, генерирующие быстрые сигналы напряжения и измеряющие токи отклика сегнетоэлектрика. Сзади расположен активный зонд с высоким импедансом, используемый для мониторинга напряжения на сегнетоэлектрическом конденсаторе в реальном времени. Фото: Ии Лян, Лаборатория сегнетоэлектроники, Мичиганский университет.

Когда через сегнетоэлектрический материал проходит импульс напряжения, поляризация всего материала не меняется мгновенно. Всё начинается с искры, называемой нуклеацией, когда крошечная точка меняет своё направление. Перевёрнутая область распространяется наружу в процессе роста, вызывая изменение поляризации и окружающих атомов.

Скорость зарождения и роста зависит от силы и стабильности электрического поля. Для моделирования этого сложного явления учёные использовали модель обратного временного конуса, разработанную выпускником Мичиганского университета Джоном У. Каном. Эта модель работает в обратном направлении, определяя, какая часть материала перевернута в любой данный момент, без учета перекрывающихся областей.

Исследователи объединили метод обратного временного конуса со статистической термодинамикой. Это сочетание помогает отслеживать изменения импульсов напряжения для точного прогнозирования изменений в динамике зарождения и роста. Поскольку модель отслеживает всю историю изменения напряжения, она естественным образом улавливает, как эти материалы "запоминают" прошлые состояния. Это помогает модели оставаться точной при любой сложной скорости изменения напряжения или частоте.

Учёные интегрировали модель в стандартное программное обеспечение, используемое инженерами для проектирования интегральных схем — SPICE, сокращение от Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы). Достоверность модели была подтверждена.

Эта модель особенно ценна для приложений, работающих со сложными формами сигналов напряжения. Например, в нейроморфных вычислениях, где устройства программируются с помощью последовательностей импульсов с различной амплитудой и длительностью, она может определять условия формы сигнала, которые максимизируют эффективность программирования, линейность и точность считывания.

Чтобы исследователи и начинающие специалисты могли воспользоваться этим инструментом для визуализации поведения переключения сегнетоэлектриков при заданных формах сигналов, учёными был предоставлен открытый доступ к коду моделирования на основе Python.