Память на одном электроне

Флеш-ячейка хранит бит зарядом, и весь прогресс последних тридцати лет крутился вокруг того, чтобы этого заряда требовалось всё меньше. В современных ячейках речь идёт о десятках, в лучшем случае сотнях электронов, и на таком масштабе инженерия заканчивается и начинается физика: потерялась пара электронов, и бит прочитался неверно. Логичный финал этой гонки понятен всем, один электрон на одно состояние. Группа из Фуданьского университета сообщила в Science, что такое устройство наконец заработало при комнатной температуре.

Барьером всё это время оставалась паразитная краевая ёмкость между затвором и каналом. Сдвиг порогового напряжения от одного электрона равен e/C, поэтому чем больше суммарная ёмкость, тем слабее полезный сигнал. При уменьшении размеров ёмкость самого канала падает, а краевая составляющая начинает доминировать, и вклад единственного электрона тонет в шуме. По этой причине одноэлектронную память до сих пор наблюдали в основном при температурах в единицы кельвинов, где шумы удаётся придавить холодом.

Чунсэнь Лю и соавторы полезли в геометрию устройства. Они собрали компланарную структуру из стока, канала и истока на атомарно тонком двумерном материале, подведя металл краевыми контактами. Такая компоновка подавляет краевую ёмкость, и добавление либо удаление одного электрона даёт энергонезависимый сдвиг порогового напряжения около 0,5 вольта при комнатной температуре. Полвольта на электрон спокойно различит обычная схема считывания, без криостата и без хитрой синхронной детекции.

С хранением тоже вышло неплохо: различимые одноэлектронные состояния держались минимум 5000 секунд в прямых измерениях. Почти полтора часа удержания заряда величиной в один электрон для физического эксперимента выглядят солидно, хотя до требований к SSD, где данные обязаны лежать годами, дистанция огромная.

Дальше начинается часть, из-за которой работу и взяли в Science. Электрон, запертый в достаточно малом объёме, имеет два различимых квантовых состояния, и авторы показали, что переключать их можно напряжением программирования. Попутно они предсказали и увидели эффект, который назвали ножницами плотности состояний: одно из квантовых состояний памяти при определённых условиях просто отсекается.

Теперь о том, чего в статье нет. Речь идёт об одиночных устройствах, массивов хотя бы на килобит никто не показывал. Отсутствуют цифры по выносливости, по скорости записи и по разбросу параметров между ячейками на одной пластине. Двумерные материалы с краевыми контактами живут пока в исследовательских чистых комнатах, а дорога от такой структуры до серийного техпроцесса обычно занимает годы и часто никуда не приводит. NAND и DRAM закапывать рано.

За чем есть смысл следить дальше: появятся ли одноэлектронные ячейки в виде массива хотя бы на сотни бит, удержится ли сдвиг 0,5 вольта после многих циклов записи и как поведут себя соседние ячейки, поставленные вплотную. Пока же в наличии работающее устройство, которое хранит бит на одном электроне при комнатной температуре, и это красиво.

Источник: Chunsen Liu, Yutong Xiang, Chong Wang, Peng Zhou. Robust single-electron memory with quantum states manipulation. Science, 16 июля 2026, vol. 393, issue 6808, pp. 294-299. DOI 10.1126/science.aeg6638, сама статья лежит тут: science.org

Пост в X, с которого пошла волна обсуждений: x.com/SciTechera