新型数据存储方法采用2D半金属材料 能耗比传统方法少100多倍

盖世汽车讯 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，极大地改变这个世界。2020年，全球数据总量预计将达到44ZTB，而且还将继续增长，超过目前计算和存储设备的容量。与此同时，到2030年，相关的用电量也将增长15倍，占全球能源需求的8%。因此，对降低能源需求，同时提高信息存储速度的技术的需求迫在眉睫。

图片来源：加州大学伯克利分校

据外媒报道，香港大学教授Xiang Zhang在美国加州大学伯克利分校时带领了一组研究人员，与斯坦福大学教授Aaron Lindenberg的团队合作，研发了一种新型数据存储法：在只有3纳米厚的二碲化钨中，让奇数层相对于偶数层滑动。此种原子层的排列代表着0和1，用于数据存储。然后，研究人员们创造性地利用量子几何：贝利曲率以读出信息。因此，该材料平台非常适用于存储器，还具有独立的“写”和“读”操作能力。而且相比于传统方法，此种新型数据存储方法的能耗少100多倍。

该项研究对于非易失性存储是一项概念性创新，可能会带来技术革命。研究人员首次证明了2D半金属可以优于传统的硅材料，用于存储和读取信息。与现有的非易失性（NVW）存储器相比，新型材料平台有望将存储数据量提高2个数量级，将能耗成本降低3个数量级，而且可以极大地加速实现新兴内存计算和神经网络计算应用。

此前，研究人员发现，当2D材料二碲化钨处于拓补状态时，原子在此类层中的特殊排列会产生一种能带交叉简并点“Weyl node”，而且表现出独特的电子特性，如零电阻传导。此类点被认为具有类似虫洞的特性，电子会在材料的反面穿过。在此前的实验中，研究人员发现，可以利用太赫兹辐射脉冲调整该材料结构，让材料快速地在拓补状态和非拓补状态之间切换，有效地开关零电阻状态。Zhang教授的团队已经证明，只有原子级厚度的2D材料可大大降低电场的屏蔽效应，而且其结构很容易受到电子浓度或电场的影响。因此，2D拓补材料可以将光学操作转化为电气化控制，为电子设备铺平道路。

在该项研究中，研究人员将二碲化钨金属层的三层原子层堆叠在一起，就像纳米大小的扑克牌叠在一起。通过向该原子堆中注入少量载流子或施加垂直电场，让每个奇数层相对于偶数层，在其上下滑动。通过观察相应的光学和电气化特征，研究人员了解到此种滑动是永久性的，除非另一个电激发触发层重新排列。此外，为了读取此类移动原子层之间存储的数据和信息，研究人员在此类半金属材料中采用了非常大的“贝利曲率”。此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。通过此种效应，可以读出原子层的排列，且不影响堆叠。

利用此种量子特性，可以很好地区分不同的原子堆和金属极化状态。此种发现解决了铁电金属因弱极化导致的阅读困难，让铁电金属不仅在基础物理领域引起研究人员的兴趣，也证明了相对于传统半导体和铁电绝缘体而言，此类材料有广阔的应用前景。改变堆叠顺序只会破坏Van der Waals键，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，有助于走向可持续的智能未来。