Framväxten av artificiell intelligens och maskininlärningstekniker förändrar världen dramatiskt med nya applikationer som internet of things, autonoma fordon, bildbehandling i realtid och stordataanalys inom vården. År 2020, den globala datavolymen beräknas nå 44 Zettabyte, och det kommer att fortsätta att växa utöver den nuvarande kapaciteten för datorer och lagringsenheter. På samma gång, den relaterade elförbrukningen kommer att öka 15 gånger till 2030, sväljer 8 % av det globala energibehovet. Därför, Att minska energiförbrukningen och öka hastigheten på informationslagringsteknik är i akut behov.

Berkeley-forskare ledda av HKU:s ordförande professor Xiang Zhang när han var i Berkeley, i samarbete med professor Aaron Lindenbergs team vid Stanford University, uppfann en ny datalagringsmetod:De får udda numrerade lager att glida i förhållande till jämna antal lager i volframditellurid, som bara är 3nm tjock. Arrangemanget av dessa atomlager representerar 0 och 1 för datalagring. Dessa forskare använder sig kreativt av kvantgeometri:Bärkrökning, att läsa information. Därför, denna materialplattform fungerar idealiskt för minne, med oberoende "skriv" och "läs" operation. Energiförbrukningen med denna nya datalagringsmetod kan vara över 100 gånger mindre än den traditionella metoden.

Detta arbete är en konceptuell innovation för icke-flyktiga lagringstyper och kan potentiellt medföra teknisk revolution. För första gången, forskarna bevisar att tvådimensionella halvmetaller, går utöver traditionellt kiselmaterial, kan användas för informationslagring och läsning. Detta arbete publicerades i det senaste numret av tidskriften Naturfysik . Jämfört med det befintliga icke-flyktiga (NVW) minnet, denna nya materialplattform förväntas öka lagringshastigheten med två beställningar och minska energikostnaderna med tre beställningar, och det kan i hög grad underlätta realiseringen av framväxande in-memory computing och neurala nätverksdatorer.

Denna forskning var inspirerad av forskningen från professor Zhangs team om "Strukturell fasövergång av enskikts MoTe ₂ drivs av elektrostatisk dopning, " publicerad i Natur under 2017; och Lindenberg Labs forskning om "Användning av ljus för att kontrollera växlingen av materialegenskaper i topologiska material, " publicerad i Natur under 2019.

Tidigare, forskare fann att i det tvådimensionella materialet volfram ditelluride, när materialet är i ett topologiskt tillstånd, det speciella arrangemanget av atomer i dessa lager kan producera så kallade "Weyl-noder, "som kommer att uppvisa unika elektroniska egenskaper, såsom nollresistansledning. Dessa punkter anses ha maskhålsliknande egenskaper, där elektroner tunnelerar mellan motsatta ytor av materialet. I tidigare experiment, forskarna fann att materialstrukturen kan justeras med terahertzstrålningspuls, därigenom snabbt växla mellan materialets topologiska och icke-topologiska tillstånd, effektivt stänga av nollresistanstillståndet och sedan slå på det igen. Zhangs team har bevisat att tjockleken på atomnivå hos tvådimensionella material kraftigt minskar skärmningseffekten av det elektriska fältet, och dess struktur påverkas lätt av elektronkoncentrationen eller det elektriska fältet. Därför, topologiska material vid tvådimensionell gräns kan tillåta omvandling av optisk manipulation till elektrisk kontroll, banar väg mot elektroniska apparater.

I det här arbetet, forskarna staplade tre atomlager av volframditelluridmetalllager, som kortlek i nanoskala. Genom att injicera en liten mängd bärare i stapeln eller applicera ett vertikalt elektriskt fält, de fick varje udda numrerat skikt att glida i sidled relativt de jämna numrerade skikten ovanför och under det. Genom motsvarande optiska och elektriska karakteriseringar, de observerade att denna glidning är permanent tills en annan elektrisk excitation utlöser lager att omarrangera. Vidare, för att läsa data och information som lagras mellan dessa rörliga atomlager, forskarna använde den extremt stora "Berry curvature" i det halvmetalliska materialet. Denna kvantkarakteristik är som ett magnetfält, som kan styra elektronernas utbredning och resultera i olinjär Hall-effekt. Genom en sådan effekt, arrangemanget av atomskiktet kan avläsas utan att störa staplingen.

Genom att använda denna kvantegenskap, olika stackar och metallpolarisationstillstånd kan särskiljas väl. Denna upptäckt löser den långsiktiga lässvårigheten i ferroelektriska metaller på grund av deras svaga polarisering. Detta gör ferroelektriska metaller inte bara intressanta i grundläggande fysisk utforskning, men bevisar också att sådana material kan ha tillämpningsmöjligheter som är jämförbara med konventionella halvledare och ferroelektriska isolatorer. Att ändra staplingsordningarna innebär bara att Van der Waals-bindningen bryts. Därför, energiförbrukningen är teoretiskt två storleksordningar lägre än den energi som förbrukas genom att bryta kovalent bindning i traditionella fasförändringsmaterial och ger en ny plattform för utveckling av mer energieffektiva lagringsenheter och hjälper oss att gå mot en hållbar och smart framtid.