非硅基2D金属全新数据存储

非硅基2D金属全新数据存储。

今天，世界每天所产生的数据量巨大，远高于以往任何时候，而相对应的存储系统正迫切地需要进行技术革命。近日，斯坦福大学研究人员发明了一种全新的数据存储方式，利用一种仅有三个原子厚的二碲化钨（WTe2）金属薄膜覆盖在另一层薄膜上，进行相互滑动，利用奇偶层代表0和1进行数据存储。相比硅胶芯片，这种方法能够将更多的数据存储在更小的空间，同时耗能更少。

由斯坦福大学国家直线粒子加速实验室的材料科学工程副教授Aaron Lindenberg领导的这项研究，将是一项重要的技术升级。这是一种非易失性的存储器，而当今的计算机都是由“硅基技术-闪存芯片”支持运行的。伯克利大学机械工程师Xiang Zhang、得州农工大学材料科学家Xiaofeng Qian以及斯坦福大学的材料科学与工程系教授Thomas Devereaux也帮助指导了这项实验，实验成果发表在《自然物理》杂志上。

光控拓扑结构材料

这项技术的突破基于一种新发现的金属——二碲化钨（WTe2）。研究人员将多个材料层堆叠在一起，就像一副纳米级的扑克牌。通过向材料层注入少量的电流，其中的奇数层会相较于上下的偶数层发生些许的位置滑移。

Lindenberg实验室在2019年就曾发表过一项名为“用光在拓扑材料中控制其材料特性的开关”（An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal）的相关研究。研究人员发现，一些特殊材料的某种奇怪特性可以使电子从材料的一个表面移动到另一个表面，就好像两者之间没有任何阻挡一样。随后，他们证明了通过光脉冲能切换材料的稳定拓扑状态，来开启和关闭这种特性。这就提供了一种全新操纵材料的方法。

在材料中，拓扑的概念比较抽象，在拓扑状态下的材料保持其外来特性，例如在外部扰动下以极小耗能导电的能力。研究人员曾表示：“这些材料为理解材料物理学中的新概念提供了一个令人兴奋的平台，我们一直在积极学习利用其独特潜力的新方法。”

二碲化物是一种由堆叠的2D材料组成的拓扑材料。当材料处于其拓扑状态时，这些层中原子的特定排列可以产生所谓的Weyl节点，其具有独特的电子特性，例如零电阻电导率。这些点可以被认为是类似虫洞的特征，其在材料的相对表面之间隧穿电子。而拓扑材料对于这些应用特别有意义，因为它们的电子状态对外部扰动（例如加热、机械压力和材料缺陷）具有极强的抵抗力。为了利用这些材料，研究人员还需要微调其特性的方法。

二碲化钨是目前已知的第一种存在“铁电翻转”现象的二维材料。在此之前，科学家们只在电绝缘体中发现过“铁电翻转”。然而二碲化钨并非电绝缘体，而是一种不良金属。二碲化钨具有异常巨大的“贝利曲率”，而且不同堆叠方式带来的“贝利曲率”差异性极强，利用这一量子特性可以有效地区分出不同堆叠及金属极化态。这一发现解决了长期以来，由于铁电金属的实空间弱极性，带来的读取区分不同极化态的障碍。进而使得铁电金属不仅是在基础物理的探索上很有趣，还证明了这类材料可能具有与主流半导体和铁电绝缘体相当的应用前景。

太赫兹辐射的波长介于可见和微波之间，能量范围与分子的振动能和转动能相匹配，为物质材料的表征和操控提供了很大的自由空间，但是人眼无法直接观察，该电磁波被太赫兹探测器件接收后，经过光电转换，便可转化为人眼可观察的图像。研究人员发现，这种光可以在材料的拓扑状态和非拓扑状态之间进行快速切换，有效地将零电阻状态关闭，然后再打开。

这种情况下，太赫兹辐射脉冲使拓扑材料二碲化钨中的相邻原子层沿相反方向移动，扭曲了这种材料的原子结构；跟随脉冲，结构振荡，各层材料就能围绕其原始位置来回摆动。

奇偶层的位移

材料堆叠的奇偶层位移是永久性或是非易失性的，直到另一股电流的推动，才能让奇数和偶数层再一次的重新对齐。这种材料层的排列可以变成一种解码信息的方法，Lindenberg表示：“我们创造了一种像储存二进制数据0和1的开关。”

为了读取位移原子层之间电子数据，研究人员开发出了一种被称为贝瑞曲率（Berry curvature）的量子特性，它就像一个磁场一样操纵着材料中的电子，在不打乱堆叠的情况下去读取材料层的排列情况。本篇论文的第一作者、Lindenberg实验室的博士后Jun Xiao表示：“这样耗能更少就能将材料层向前或向后推移，意味着在新设备中读写1或0时，也将消耗更少的能量，完全不同于当前的非易失性存储技术。”除此之外，原子层的滑动可以发生得非常迅速，数据存储的速度相比目前的技术可以提高100多倍。样本设备的设计部分是来自于理论计算，这是由联合作者、得州农工大学的助理教授Xiaofeng Qian和他实验室的研究生Hua Wang提出的。

研究人员在发现试验结果与理论预测相一致后，他们做了进一步的计算，结果让他们相信继续完善实验设计，将大幅度地提升新方法的存储空间，为超薄2D材料制成更强大的非易失性存储器铺平了道路。现在，研究团队已经取得了这项技术的专利权，同时进一步完善了存储模型和设计。除此之外，他们还计划找出，相比二碲化钨（WTe2），能够更好地作为数据存储媒介的其他2D材料。

Lindenberg表示：“这项实验的科学底线是，对这些超薄材料层进行极轻微的调整，就会对它们的功能特性产生极大的影响。我们可以利用这些知识建造新型高效节能的科技产品，向着可持续性和智能的未来发展。”

编译自《物理世界》

（责任编辑姜懿翀）