人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的出現(xiàn)，正通過物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛汽車、實(shí)時成像處理和醫(yī)療領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析等新應(yīng)用，極大地改變這個世界。2020年，全球數(shù)據(jù)總量預(yù)計將達(dá)到44ZTB，而且還將繼續(xù)增長，超過目前計算和存儲設(shè)備的容量。與此同時，到2030年，相關(guān)的用電量也將增長15倍，占全球能源需求的8%。因此，對降低能源需求，同時提高信息存儲速度的技術(shù)的需求迫在眉睫。
圖片來源：加州大學(xué)伯克利分校
據(jù)外媒報道，香港大學(xué)教授Xiang Zhang在美國加州大學(xué)伯克利分校時帶領(lǐng)了一組研究人員，與斯坦福大學(xué)教授Aaron Lindenberg的團(tuán)隊合作，研發(fā)了一種新型數(shù)據(jù)存儲法：在只有3納米厚的二碲化鎢中，讓奇數(shù)層相對于偶數(shù)層滑動。此種原子層的排列代表著0和1，用于數(shù)據(jù)存儲。然后，研究人員們創(chuàng)造性地利用量子幾何：貝利曲率以讀出信息。因此，該材料平臺非常適用于存儲器，還具有獨(dú)立的“寫”和“讀”操作能力。而且相比于傳統(tǒng)方法，此種新型數(shù)據(jù)存儲方法的能耗少100多倍。
該項(xiàng)研究對于非易失性存儲是一項(xiàng)概念性創(chuàng)新，可能會帶來技術(shù)革命。研究人員首次證明了2D半金屬可以優(yōu)于傳統(tǒng)的硅材料，用于存儲和讀取信息。與現(xiàn)有的非易失性（NVW）存儲器相比，新型材料平臺有望將存儲數(shù)據(jù)量提高2個數(shù)量級，將能耗成本降低3個數(shù)量級，而且可以極大地加速實(shí)現(xiàn)新興內(nèi)存計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算應(yīng)用。
此前，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)2D材料二碲化鎢處于拓補(bǔ)狀態(tài)時，原子在此類層中的特殊排列會產(chǎn)生一種能帶交叉簡并點(diǎn)“Weyl node”，而且表現(xiàn)出獨(dú)特的電子特性，如零電阻傳導(dǎo)。此類點(diǎn)被認(rèn)為具有類似蟲洞的特性，電子會在材料的反面穿過。在此前的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，可以利用太赫茲輻射脈沖調(diào)整該材料結(jié)構(gòu)，讓材料快速地在拓補(bǔ)狀態(tài)和非拓補(bǔ)狀態(tài)之間切換，有效地開關(guān)零電阻狀態(tài)。Zhang教授的團(tuán)隊已經(jīng)證明，只有原子級厚度的2D材料可大大降低電場的屏蔽效應(yīng)，而且其結(jié)構(gòu)很容易受到電子濃度或電場的影響。因此，2D拓補(bǔ)材料可以將光學(xué)操作轉(zhuǎn)化為電氣化控制，為電子設(shè)備鋪平道路。
在該項(xiàng)研究中，研究人員將二碲化鎢金屬層的三層原子層堆疊在一起，就像納米大小的撲克牌疊在一起。通過向該原子堆中注入少量載流子或施加垂直電場，讓每個奇數(shù)層相對于偶數(shù)層，在其上下滑動。通過觀察相應(yīng)的光學(xué)和電氣化特征，研究人員了解到此種滑動是永久性的，除非另一個電激發(fā)觸發(fā)層重新排列。此外，為了讀取此類移動原子層之間存儲的數(shù)據(jù)和信息，研究人員在此類半金屬材料中采用了非常大的“貝利曲率”。此種量子特性就像磁場一樣，可以控制電子的傳播，產(chǎn)生非線性霍爾效應(yīng)。通過此種效應(yīng)，可以讀出原子層的排列，且不影響堆疊。
利用此種量子特性，可以很好地區(qū)分不同的原子堆和金屬極化狀態(tài)。此種發(fā)現(xiàn)解決了鐵電金屬因弱極化導(dǎo)致的閱讀困難，讓鐵電金屬不僅在基礎(chǔ)物理領(lǐng)域引起研究人員的興趣，也證明了相對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體和鐵電絕緣體而言，此類材料有廣闊的應(yīng)用前景。改變堆疊順序只會破壞Van der Waals鍵，因此，理論上比傳統(tǒng)相變材料打破共價鍵消耗的能量低兩個數(shù)量級，為節(jié)能存儲設(shè)備的發(fā)展提供了新的平臺，有助于走向可持續(xù)的智能未來。
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