De opkomst van kunstmatige intelligentie en machine learning-technieken verandert de wereld drastisch met nieuwe toepassingen zoals internet of things, autonome voertuigen, realtime beeldverwerking en big data-analyse in de gezondheidszorg. in 2020, het wereldwijde datavolume wordt geschat op 44 Zettabytes, en het zal blijven groeien boven de huidige capaciteit van computer- en opslagapparaten. Tegelijkertijd, het bijbehorende elektriciteitsverbruik zal tegen 2030 15 keer zo hoog zijn, 8% van de wereldwijde energievraag opslokken. Daarom, het verminderen van het energieverbruik en het verhogen van de snelheid van de technologie voor informatieopslag is 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, een nieuwe methode voor gegevensopslag uitgevonden:ze laten oneven genummerde lagen schuiven ten opzichte van even genummerde lagen in wolfraamditelluride, die slechts 3nm dik is. De rangschikking van deze atomaire lagen vertegenwoordigt 0 en 1 voor gegevensopslag. Deze onderzoekers maken creatief gebruik van kwantumgeometrie:Berry-kromming, informatie uit te lezen. Daarom, dit materiële platform werkt ideaal voor geheugen, met onafhankelijke 'schrijf' en 'lees' operatie. 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 opslagtypes en kan mogelijk een technologische revolutie teweegbrengen. Voor de eerste keer, bewijzen de onderzoekers dat tweedimensionale halfmetalen, verder gaan dan traditioneel siliciummateriaal, kan worden gebruikt voor het opslaan en lezen van informatie. Dit werk is gepubliceerd in het laatste nummer van het tijdschrift Natuurfysica . Vergeleken met het bestaande niet-vluchtige (NVW) geheugen, dit nieuwe materiaalplatform zal naar verwachting de opslagsnelheid met twee bestellingen verhogen en de energiekosten met drie bestellingen verlagen, en het kan de realisatie van opkomende in-memory computing en neurale netwerkcomputing aanzienlijk vergemakkelijken.

Dit onderzoek is geïnspireerd op het onderzoek van het team van professor Zhang naar "Structural phase transition of single-layer MoTe ₂ aangedreven door elektrostatische doping, " gepubliceerd in Natuur in 2017; en Lindenberg Lab's onderzoek naar "Gebruik van licht om de verandering van materiaaleigenschappen in topologische materialen te regelen, " gepubliceerd in Natuur anno 2019.

Eerder, onderzoekers ontdekten dat in het tweedimensionale materiaal wolfraam ditelluride, wanneer het materiaal zich in een topologische toestand bevindt, de speciale rangschikking van atomen in deze lagen kan zogenaamde "Weyl-knopen, " die unieke elektronische eigenschappen zal vertonen, zoals nulweerstandsgeleiding. Deze punten worden geacht wormgatachtige kenmerken te hebben, waar elektronen tunnelen tussen tegenover elkaar liggende oppervlakken van het materiaal. In een vorig experiment, de onderzoekers ontdekten dat de materiaalstructuur kan worden aangepast door een terahertz-stralingspuls, daardoor snel schakelen tussen de topologische en niet-topologische toestanden van het materiaal, het effectief uit- en weer inschakelen van de nulweerstandstoestand. Het team van Zhang heeft bewezen dat de dikte van tweedimensionale materialen op atomair niveau het afschermende effect van het elektrische veld aanzienlijk vermindert, en de structuur ervan wordt gemakkelijk beïnvloed door de elektronenconcentratie of het elektrische veld. Daarom, topologische materialen met een tweedimensionale limiet kunnen optische manipulatie omzetten in elektrische besturing, bestrating naar elektronische apparaten.

In dit werk, de onderzoekers stapelden drie atomaire lagen van wolfraam ditelluride metaallagen, zoals een kaartspel op nanoschaal. Door een kleine hoeveelheid dragers in de stapel te injecteren of een verticaal elektrisch veld aan te leggen, ze zorgden ervoor dat elke oneven genummerde laag zijdelings verschuift ten opzichte van de even genummerde lagen erboven en eronder. Door de bijbehorende optische en elektrische karakteriseringen, ze merkten op dat deze slip permanent is totdat een andere elektrische excitatie ervoor zorgt dat lagen opnieuw worden gerangschikt. Verder, om de gegevens en informatie te lezen die zijn opgeslagen tussen deze bewegende atomaire lagen, de onderzoekers gebruikten de extreem grote "Berry-kromming" in het semi-metalen materiaal. Deze kwantumkarakteristiek is als een magnetisch veld, die de voortplanting van elektronen kan sturen en kan resulteren in een niet-lineair Hall-effect. Door een dergelijk effect, de rangschikking van de atomaire laag kan worden gelezen zonder de stapeling te verstoren.

Met behulp van deze kwantumkarakteristiek, verschillende stapels en metaalpolarisatietoestanden zijn goed te onderscheiden. Deze ontdekking lost de lange termijn leesproblemen op in ferro-elektrische metalen vanwege hun zwakke polarisatie. Dit maakt ferro-elektrische metalen niet alleen interessant in fundamentele fysieke exploratie, 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 Waals-obligatie. Daarom, het energieverbruik is theoretisch twee ordes van grootte lager dan het energieverbruik door het verbreken van covalente bindingen in traditionele faseovergangsmaterialen en biedt een nieuw platform voor de ontwikkeling van energiezuinigere opslagapparaten en helpt ons op weg naar een duurzame en slimme toekomst.