玻璃等非晶态固体的原子没有有序结构；它们随机排列，就像海滩上散落的沙粒一样。通常，使材料变成非晶态（这一过程称为非晶化）需要大量能量。最常见的技术是熔体淬火工艺，该工艺涉及加热材料直至其液化，然后快速冷却，这样原子就没有时间在晶格中自行排列。

现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院 (Penn Engineering)、印度科学研究所 (IISc) 和麻省理工学院 (MIT) 的研究人员开发出一种新方法，用于非晶化至少一种材料 - 由硒化铟或 In 2 Se 3制成的线材- 所需的功率密度仅降低了十亿分之一，这一结果发表在《自然》杂志的一篇新论文中。这一进步可以为相变存储器 (PCM) 开辟更广泛的应用 - 这是一项很有前途的存储技术，可以将从手机到计算机等设备的数据存储方式转变为非晶态。

在 PCM 中，信息是通过在非晶态和晶态之间切换材料来存储的，其功能类似于开/关开关。然而，大规模商业化受到实现这些转换所需的高功率的限制。“相变存储设备尚未得到广泛使用的原因之一是所需的能量，”宾夕法尼亚大学工程学院材料科学与工程 (MSE) 的 Srinivasa Ramanujan 杰出学者兼教授、该论文的资深作者之一 Ritesh Agarwal 说。

2012 年，Agarwal 团队发现电脉冲可以使锗、锑和碲合金非晶化，而无需熔化材料。此后十多年来，Agarwal 团队一直在研究熔化淬火工艺的替代方法。

几年前，作为这些努力的一部分，新论文的第一作者之一、当时还是宾夕法尼亚大学工程系硕士生的 Gaurav Modi 开始对硒化铟进行实验，这种半导体具有几种不寻常的特性：它是铁电性的，这意味着它可以自发极化，并且是压电性的，这意味着机械应力会使它产生电荷，反之亦然，电荷会使材料变形。

莫迪发现这种新方法纯属偶然。当时他正在给 In 2 Se 3导线通电，导线突然停止导电。仔细检查后发现，导线的长段已经非晶化。“这非常不寻常，”莫迪说。“我当时还以为我可能损坏了导线。通常情况下，需要电脉冲才能引起任何类型的非晶化，而这里连续电流破坏了晶体结构，这不应该发生。”

解开这个谜团花了三年多的时间。阿加瓦尔将电线样品寄给了他以前的一名研究生帕万·努卡拉 (Pavan Nukala)，他现在是印度理工学院的助理教授，也是该校纳米科学与工程中心 (CeNSE) 的成员，也是该论文的另一位资深作者。“过去几年，我们在印度理工学院开发了一套原位显微镜工具。是时候对它们进行测试了——我们必须非常非常仔细地观察才能理解这个过程，”努卡拉说。“我们了解到，In 2 Se 3的多种特性——二维特性、铁电性和压电性——共同设计了这种通过冲击实现非晶化​的超低能量路径。”

最终，研究人员发现，这一过程既像雪崩，又像地震。起初，In 2 Se 3导线中的微小部分（以十亿分之一米为单位）在电流的作用下开始非晶化。由于导线的压电特性和分层结构，电流将这些层的某些部分推入不稳定的位置，就像山顶上积雪的细微移动一样。

当达到临界点时，这种运动会引发整个导线的快速变形。变形区域发生碰撞，产生穿过材料的声波，类似于地震期间地震波穿过地壳的方式。

这种声波在技术上被称为“声学冲击”，它驱动额外的变形，将许多小的无定形区域连接成一个以微米为单位的单一区域——比原始区域大数千倍——就像一场从山坡上倾泻而下的雪崩。“看到所有这些现象同时在不同长度尺度上相互作用，真是令人毛骨悚然，”IISc 博士生、论文共同第一作者 Shubham Parate 说。

为了解这一过程而开展的合作为未来的发现奠定了肥沃的土壤。“这为研究当所有这些特性结合在一起时材料中可能发生的结构变化开辟了一个新领域。这些发现对于设计低功耗存储设备具有巨大的潜力，”Agarwal 说。

这项研究是在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院、印度科学研究所和麻省理工学院进行的，并得到了美国海军研究办公室多学科大学研究计划 (N00014-17-1-2661)、美国国家科学基金会 (NSF) 半导体未来竞赛 (#2328743)、美国空军科学研究办公室 (FA9550-23-1-0189)、美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心材料研究部 (MRSEC/DMR-2309043) 和印度政府的 Anusandhan 国家研究基金会科学与工程研究委员会(CRG/2022/003506)以及 CeNSE 和先进显微镜和微分析设施 (AFMM)、IISc 的设施和民主化使用系统的支持。