Hukommelse i et metal, aktiveret af kvantegeometri

Fremkomsten af ​​kunstig intelligens og maskinlæringsteknikker ændrer verden dramatisk med nye applikationer såsom tingenes internet, autonome køretøjer, billedbehandling i realtid og big data-analyse i sundhedsvæsenet. I 2020, den globale datamængde anslås at nå 44 Zettabyte, og det vil fortsætte med at vokse ud over den nuværende kapacitet for computer- og lagerenheder. På samme tid, det relaterede elforbrug vil stige 15 gange i 2030, sluger 8 % af det globale energibehov. Derfor, der er et presserende behov for at reducere energiforbruget og øge hastigheden af ​​informationslagringsteknologi.

Berkeley-forskere ledet af HKU-præsident professor Xiang Zhang, da han var i Berkeley, i samarbejde med professor Aaron Lindenbergs team ved Stanford University, opfandt en ny datalagringsmetode:De får lag med ulige nummer til at glide i forhold til lag med lige tal i wolframditellurid, som kun er 3nm tyk. Arrangementet af disse atomlag repræsenterer 0 og 1 for datalagring. Disse forskere gør kreativt brug af kvantegeometri:Bærskrumning, at læse informationer op. Derfor, denne materialeplatform fungerer ideelt til hukommelse, med uafhængig 'skrive' og 'læse' operation. Energiforbruget ved brug af denne nye datalagringsmetode kan være over 100 gange mindre end den traditionelle metode.

Dette arbejde er en konceptuel innovation for ikke-flygtige lagertyper og kan potentielt bringe teknologisk revolution. For første gang, forskerne beviser, at todimensionelle halvmetaller, går ud over traditionelt siliciummateriale, kan bruges til informationslagring og læsning. Dette arbejde blev offentliggjort i det seneste nummer af tidsskriftet Naturfysik . Sammenlignet med den eksisterende ikke-flygtige (NVW) hukommelse, denne nye materialeplatform forventes at øge lagerhastigheden med to ordrer og reducere energiomkostningerne med tre ordrer, og det kan i høj grad lette realiseringen af ​​nye in-memory computing og neurale netværk computing.

Denne forskning var inspireret af forskningen fra professor Zhangs team om "Strukturel faseovergang af enkeltlags MoTe ₂ drevet af elektrostatisk doping, " offentliggjort i Natur i 2017; og Lindenberg Labs forskning om "Brug af lys til at kontrollere omskiftningen af ​​materialeegenskaber i topologiske materialer, " offentliggjort i Natur i 2019.

Tidligere, forskere fandt, at i det todimensionelle materiale-wolfram ditellurid, når materialet er i topologisk tilstand, det specielle arrangement af atomer i disse lag kan producere såkaldte "Weyl-knuder, "som vil udvise unikke elektroniske egenskaber, såsom nul modstandsledning. Disse punkter anses for at have ormehulslignende egenskaber, hvor elektroner tunnelerer mellem modsatte overflader af materialet. I tidligere eksperiment, forskerne fandt ud af, at materialets struktur kan justeres med terahertz-strålingspuls, derved hurtigt skifte mellem materialets topologiske og ikke-topologiske tilstande, effektivt at slå nul-modstandstilstanden fra og derefter til igen. Zhangs team har bevist, at todimensionelle materialers tykkelse på atomniveau i høj grad reducerer screeningseffekten af ​​det elektriske felt, og dens struktur påvirkes let af elektronkoncentrationen eller det elektriske felt. Derfor, topologiske materialer ved todimensional grænse kan tillade at omdanne optisk manipulation til elektrisk kontrol, brolægning mod elektroniske enheder.

I dette arbejde, forskerne stablede tre atomlag af wolfram-ditellurid-metallag, som et kortspil i nanoskala. Ved at sprøjte en lille mængde bærere ind i stakken eller påføre et lodret elektrisk felt, de fik hvert ulige lag til at glide sideværts i forhold til de lige lag over og under det. Gennem de tilsvarende optiske og elektriske karakteriseringer, de observerede, at denne slip er permanent, indtil en anden elektrisk excitation udløser lag til at omarrangere. Desuden, for at læse de data og informationer, der er lagret mellem disse bevægelige atomlag, forskerne brugte den ekstremt store "Berry-krumning" i det semi-metalliske materiale. Denne kvantekarakteristik er som et magnetfelt, som kan styre elektronernes udbredelse og resultere i ikke-lineær Hall-effekt. Gennem en sådan effekt, arrangementet af atomlaget kan aflæses uden at forstyrre stablingen.

Ved at bruge denne kvantekarakteristik, forskellige stakke og metalpolarisationstilstande kan skelnes godt. Denne opdagelse løser de langsigtede læsevanskeligheder i ferroelektriske metaller på grund af deres svage polarisering. Dette gør ferroelektriske metaller ikke kun interessante i grundlæggende fysisk udforskning, men beviser også, at sådanne materialer kan have anvendelsesmuligheder, der kan sammenlignes med konventionelle halvledere og ferroelektriske isolatorer. Ændring af stablingsordrer involverer kun brud på Van der Waals-bindingen. Derfor, energiforbruget er teoretisk to størrelsesordener lavere end den energi, der forbruges ved at bryde kovalent binding i traditionelle faseændringsmaterialer og giver en ny platform for udvikling af mere energieffektive lagringsenheder og hjælper os med at bevæge os mod en bæredygtig og smart fremtid.