新型數據存儲方法採用2D半金屬材料 能耗比傳統方法少100多倍

蓋世汽車訊 人工智慧和機器學習技術的出現，正通過物聯網、自動駕駛汽車、實時成像處理和醫療領域的大數據分析等新應用，極大地改變這個世界。2020年，全球數據總量預計將達到44ZTB，而且還將繼續增長，超過目前計算和存儲設備的容量。與此同時，到2030年，相關的用電量也將增長15倍，佔全球能源需求的8%。因此，對降低能源需求，同時提高信息存儲速度的技術的需求迫在眉睫。

圖片來源：加州大學伯克利分校

據外媒報導，香港大學教授Xiang Zhang在美國加州大學伯克利分校時帶領了一組研究人員，與史丹福大學教授Aaron Lindenberg的團隊合作，研發了一種新型數據存儲法：在只有3納米厚的二碲化鎢中，讓奇數層相對於偶數層滑動。此種原子層的排列代表著0和1，用於數據存儲。然後，研究人員們創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於存儲器，還具有獨立的「寫」和「讀」操作能力。而且相比於傳統方法，此種新型數據存儲方法的能耗少100多倍。

該項研究對於非易失性存儲是一項概念性創新，可能會帶來技術革命。研究人員首次證明了2D半金屬可以優於傳統的矽材料，用於存儲和讀取信息。與現有的非易失性（NVW）存儲器相比，新型材料平臺有望將存儲數據量提高2個數量級，將能耗成本降低3個數量級，而且可以極大地加速實現新興內存計算和神經網絡計算應用。

此前，研究人員發現，當2D材料二碲化鎢處於拓補狀態時，原子在此類層中的特殊排列會產生一種能帶交叉簡併點「Weyl node」，而且表現出獨特的電子特性，如零電阻傳導。此類點被認為具有類似蟲洞的特性，電子會在材料的反面穿過。在此前的實驗中，研究人員發現，可以利用太赫茲輻射脈衝調整該材料結構，讓材料快速地在拓補狀態和非拓補狀態之間切換，有效地開關零電阻狀態。Zhang教授的團隊已經證明，只有原子級厚度的2D材料可大大降低電場的屏蔽效應，而且其結構很容易受到電子濃度或電場的影響。因此，2D拓補材料可以將光學操作轉化為電氣化控制，為電子設備鋪平道路。

在該項研究中，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，讓每個奇數層相對於偶數層，在其上下滑動。通過觀察相應的光學和電氣化特徵，研究人員了解到此種滑動是永久性的，除非另一個電激發觸發層重新排列。此外，為了讀取此類移動原子層之間存儲的數據和信息，研究人員在此類半金屬材料中採用了非常大的「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，產生非線性霍爾效應。通過此種效應，可以讀出原子層的排列，且不影響堆疊。

利用此種量子特性，可以很好地區分不同的原子堆和金屬極化狀態。此種發現解決了鐵電金屬因弱極化導致的閱讀困難，讓鐵電金屬不僅在基礎物理領域引起研究人員的興趣，也證明了相對於傳統半導體和鐵電絕緣體而言，此類材料有廣闊的應用前景。改變堆疊順序只會破壞Van der Waals鍵，因此，理論上比傳統相變材料打破共價鍵消耗的能量低兩個數量級，為節能存儲設備的發展提供了新的平臺，有助於走向可持續的智能未來。