Geheugen in een metaal, mogelijk gemaakt door kwantumgeometrie

De opkomst van kunstmatige intelligentie en machine learning-technieken verandert de wereld ingrijpend met nieuwe toepassingen zoals internet of things, autonome voertuigen, real-time beeldverwerking en big data-analyse in de gezondheidszorg. In 2020 wordt het wereldwijde datavolume geschat op 44 Zettabyte, en het zal verder groeien dan de huidige capaciteit van computer- en opslagapparatuur. Tegelijkertijd zal het gerelateerde elektriciteitsverbruik tegen 2030 15 keer toenemen, waardoor 8% van de wereldwijde energievraag wordt opgeslokt. Daarom is het verminderen van het energieverbruik en het verhogen van de snelheid van informatieopslagtechnologie dringend nodig.

Berkeley-onderzoekers onder leiding van HKU-president professor Xiang Zhang toen hij in Berkeley was, in samenwerking met het team van professor Aaron Lindenberg aan de Stanford University, hebben een nieuwe methode voor gegevensopslag uitgevonden: ze laten oneven genummerde lagen verschuiven ten opzichte van even-getallagen in wolfraamditelluride, dat is slechts 3 nm dik. De rangschikking van deze atomaire lagen vertegenwoordigt 0 en 1 voor gegevensopslag. Deze onderzoekers maken creatief gebruik van de kwantumgeometrie: Berry curvature, om informatie uit te lezen. Daarom werkt dit materiaalplatform ideaal voor geheugen, met onafhankelijke ‘schrijf’- en’ lees’-bediening. Het energieverbruik met deze nieuwe methode voor gegevensopslag kan meer dan 100 keer lager zijn dan bij de traditionele methode.

Dit werk is een conceptuele innovatie voor niet-vluchtige opslagtypen en kan mogelijk een technologische revolutie teweegbrengen. Voor het eerst bewijzen de onderzoekers dat tweedimensionale semi-metalen, die verder gaan dan traditioneel siliciummateriaal, kunnen worden gebruikt voor het opslaan en uitlezen van informatie. Dit werk is gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurfysica. In vergelijking met het bestaande niet-vluchtige (NVW) geheugen, wordt verwacht dat dit nieuwe materiaalplatform de opslagsnelheid met twee ordes zal verhogen en de energiekosten met drie ordes zal verlagen, en het kan de realisatie van opkomende in-memory computing en neurale netwerkcomputers aanzienlijk vergemakkelijken. .

Dit onderzoek is geïnspireerd op het onderzoek van het team van professor Zhang naar “Structurele faseovergang van enkellaagse MoTe₂ aangedreven door elektrostatische doping, “gepubliceerd in Natuur in 2017; en het onderzoek van Lindenberg Lab naar “Gebruik van licht om de omschakeling van materiaaleigenschappen in topologische materialen te regelen”, gepubliceerd in Natuur in 2019.

Eerder ontdekten onderzoekers dat in het tweedimensionale materiaal wolfraamditelluride, wanneer het materiaal zich in een topologische toestand bevindt, de speciale rangschikking van atomen in deze lagen zogenaamde ‘Weyl-knooppunten’ kan produceren, die unieke elektronische eigenschappen zullen vertonen, zoals als nulweerstandsgeleiding. Deze punten worden geacht wormgatachtige eigenschappen te hebben, waar elektronen tussen tegenoverliggende oppervlakken van het materiaal tunnelen. In een eerder experiment ontdekten de onderzoekers dat de materiaalstructuur kan worden aangepast door middel van een terahertz-stralingspuls, waardoor ze snel kunnen schakelen tussen de topologische en niet-topologische toestanden van het materiaal, waardoor de nul-weerstandstoestand effectief uit- en weer ingeschakeld wordt. Het team van Zhang heeft bewezen dat de dikte van tweedimensionale materialen op atomair niveau het afschermeffect van het elektrische veld aanzienlijk vermindert en dat de structuur ervan gemakkelijk wordt beïnvloed door de elektronenconcentratie of het elektrische veld. Daarom kunnen topologische materialen met een tweedimensionale limiet de omzetting van optische manipulatie in elektrische besturing mogelijk maken, waardoor elektronische apparaten worden gebruikt.

In dit werk stapelden de onderzoekers drie atomaire lagen van wolfraamditelluride metaallagen op, zoals een kaartspel op nanoschaal. Door een kleine hoeveelheid dragers in de stapel te injecteren of door een verticaal elektrisch veld aan te leggen, zorgden ze ervoor dat elke oneven genummerde laag lateraal schoof ten opzichte van de even genummerde lagen erboven en eronder. Door de overeenkomstige optische en elektrische karakteriseringen, merkten ze op dat deze slip permanent is totdat een andere elektrische excitatie de lagen triggert om opnieuw te rangschikken. Om de gegevens en informatie die tussen deze bewegende atoomlagen zijn opgeslagen te kunnen lezen, gebruikten de onderzoekers bovendien de extreem grote “Berry curvature” in het semi-metalen materiaal. Deze kwantumkarakteristiek is als een magnetisch veld, dat de voortplanting van elektronen kan sturen en kan resulteren in een niet-lineair Hall-effect. Door een dergelijk effect kan de rangschikking van de atoomlaag worden afgelezen zonder de stapeling te verstoren.

Met behulp van deze kwantumkarakteristiek kunnen verschillende stapels en metaalpolarisatietoestanden goed worden onderscheiden. Deze ontdekking lost het leesprobleem op lange termijn op bij ferro-elektrische metalen vanwege hun zwakke polarisatie. Dit maakt ferro-elektrische metalen niet alleen interessant voor fundamentele fysische verkenning, maar bewijst ook dat dergelijke materialen toepassingsmogelijkheden kunnen hebben die vergelijkbaar zijn met conventionele halfgeleiders en ferro-elektrische isolatoren. Het wijzigen van de stapelvolgorde betreft alleen het verbreken van de Van der Waalsband. Daarom is het energieverbruik theoretisch twee orden van grootte lager dan de energie die wordt verbruikt door het verbreken van covalente binding in traditionele faseovergangsmaterialen en biedt het een nieuw platform voor de ontwikkeling van energiezuinigere opslagapparaten en helpt het ons op weg te gaan naar een duurzame en slimme toekomst. .