由量子几何实现的金属存储器

　　通过改变金属层(图中的金球)与三个原子层厚度的相对位置来存储信息。涡旋及其颜色反映了层间滑动过程中浆果条带结构曲率的动态变化;这种量子属性可以读取编码在这种叠加顺序中的数字1和0。来源:Ella Maru Studios
　　香港大学
　　人工智能和机器学习技术的出现，正通过物联网、自动驾驶汽车、实时成像处理和医疗领域的大数据分析等新应用，极大地改变着世界。到2020年，全球数据量预计将达到44 Zettabytes，而且还将继续增长，超过目前的计算和存储设备的容量。与此同时，到2030年，相关用电量将增长15倍，占全球能源需求的8%。因此，降低能源消耗，提高信息存储技术的速度迫在眉睫。
　　由港大校长张翔教授在加州大学伯克利分校带领的研究人员，与斯坦福大学亚伦·林登伯格教授的团队合作，发明了一种新的数据存储方法:在只有3nm厚的二氯化钨中，使奇数层相对于偶数层滑动。这些原子层的排列表示0和1用于数据存储。这些研究人员创造性地利用量子几何:贝里曲率来读出信息。因此，这个材料平台非常适合内存，具有独立的＂写＂和＂读＂操作。使用这种新型数据存储方法的能耗可以比传统方法少100多倍。
　　这项工作是对非易失性存储类型的一项概念性创新，可能会带来技术革命。研究人员第一次证明了二维半金属，超越了传统的硅材料，可以用于信息存储和读取。这项研究发表在最新一期的《自然物理》杂志上。与现有的非易失性(non-volatile, NVW)存储器相比，该新型材料平台有望提高2个订单的存储速度，降低3个订单的能源成本，极大地促进新兴的内存计算和神经网络计算的实现。
　　本研究灵感来源于张教授团队2017年发表在《自然》杂志上的＂静电掺杂驱动的单层MoTe2结构相变＂研究;以及Lindenberg实验室关于＂利用光控制拓扑材料的材料属性开关＂的研究，发表在2019年的《自然》杂志上。
　　此前，研究人员发现，在二维材料——双氯化钨中，当材料处于拓扑状态时，原子在这些层中的特殊排列可以产生所谓的＂韦尔节点＂，它将表现出独特的电子特性，如零电阻传导。这些点被认为具有类似虫洞的特性，电子在材料的相反表面之间通过隧道。在之前的实验中，研究人员发现材料的结构可以通过太赫兹辐射脉冲来调节，从而快速地在材料的拓扑态和非拓扑态之间切换，有效地关闭和再开启零电阻态。Zhang的团队已经证明，二维材料的原子级厚度大大降低了电场的屏蔽效应，其结构容易受到电子浓度或电场的影响。因此，二维极限的拓扑材料可以将光学操作转化为电气控制，为电子设备铺平道路。
　　在这项工作中，研究人员将三层原子级的钨氧化二脲金属层堆叠起来，就像一副纳米级的扑克牌。通过向堆栈中注入少量载流子或施加垂直电场，他们使每个奇数层相对于它上面和下面的偶数层横向滑动。通过相应的光学和电学特征，他们观察到这种滑移是永久的，直到另一个电激发触发层重新排列。此外，为了读取这些移动原子层之间存储的数据和信息，研究人员使用了这种半金属材料中极大的＂浆果曲率＂。这种量子特性就像磁场一样，可以控制电子的传播，产生非线性霍尔效应。通过这种效应，可以读出原子层的排列，而不影响叠加。
　　利用这种量子特性，可以很好地区分不同的堆和金属极化态。这一发现解决了铁电金属由于弱极化而导致的长期阅读困难。这不仅使铁电金属在基础物理探索中引起了人们的兴趣，而且也证明了这种材料与传统的半导体和铁电绝缘体相比具有广阔的应用前景。改变叠加顺序只涉及范德华键的破坏。因此，理论上比传统相变材料打破共价键消耗的能量低两个数量级，为节能存储设备的发展提供了新的平台，帮助我们走向可持续的智能未来。