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人工智能和機器學習創新科技的出現,為全球科技發展帶來蛻變,應用在物聯網、自動駕駛汽車等新穎程式和產品發明,令未來生活充滿想像的空間;應用在前沿醫療範疇,實現實時成像處理和大數據分析,能提升診斷精確度並提供適切的治療方案,對提升人類健康意義重大。

2020年全球數據數量估計達到44 Zettabytes,用量將繼續增長,挑戰目前計算能力和存儲設備的極限。而相關用電量到2030年估計將增加15倍,吞噬全球8%能源需求。因此,在存儲設備的能耗和速度上尋求突破,是科研一個重要且迫切的方向。


香港大學校長張翔教授在柏克萊加州大學擔任教授時帶領的科研團隊,和史丹福大學Aaron Lindenberg 教授的團隊合作,發明了一種嶄新的數據存儲方法:利用僅有3個原子層厚的二維(2D)二碲化鎢金屬層,研究人員對金屬薄層結構施加微小電流,使其奇數層相對於偶數層發生穩定的偏移,利用奇偶層的排列來代表 0 和 1以存儲二進制數據,藉以大幅增加數據存儲量。數據寫入後,研究團隊再創造性地利用材料的量子特性 - 貝利曲率,讀取數據。這種新型資料儲存方式的能量消耗可比傳統方式低100餘倍。


研究結果對非易失性存儲,即在關閉計算機或在突然情況下意外關機的時候,數據不會丟失的相關技術上,是一項重大的概念革新,有望帶來新技術突破。今次也是在傳統的矽材料以外,首次發現半金屬也可進行數據存儲和讀取。研究結果已在重要國際學術期刊《自然·物理學》(Nature Physics)發表 [ref 1]。


研究團隊認爲,相比於現有的非易失性存儲器,這種方法提供了一種可行的機制和新的材料平台,實現在更小的空間、耗更少的能源下存儲更多的數據,有望提高存儲速度達100倍,實現新興的內存計算科技和腦神經網絡計算的發展。


今次研究是受張教授團隊在2017年在《自然》發表的“靜電摻雜驅動單層MoTe2 的結構相變”[ref 2]和 Lindenberg 實驗室於2019年在《自然》發表的“用光在拓撲材料中控制其材料特性的開關”的兩項研究[ref 3]的啓發而展開。


此前的研究發現,當二維材料二碲化鎢處於拓撲狀態時,原子在薄層結構中的特殊排列,可以産生一種名為“外爾節點”(Weyl nodes)的效應,表現出零電阻導電等的獨特電子特性。這些節點被認爲有著蟲洞般(wormhole-like)的特徵,電子可以隧穿於材料的相對表面之間。在之前的實驗,研究人員發現材料的結構可以由太赫茲輻射脉衝(terahertz radiation pulse)調節,快速在拓撲和非拓撲狀態之間進行切換,有效地將零電阻狀態關閉和打開。張翔團隊早前的實驗證明,二維材料原子層的厚度會大幅降低電場的屏蔽作用,其結構容易被電子的濃度及電場影響。因此,二維拓撲材料可以讓光操縱變成電控,應用於電子器件中。


在這項工作中,研究人員將只有3個原子層厚度的二碲化鎢金屬片,像納米級厚薄的撲克牌般堆叠起來。他們在層叠的薄片中注入少量的載流子或施加縱向電場,讓每一個奇數層,相對於其上下的偶數層產生橫向滑移。從相應的光學和電學表徵,團隊觀察到這種滑移是永久性的,直至另一次電激活引發金屬層再次重新排列爲止。


研究人員利用半金屬材料内非常異常巨大的“貝裏曲率”(Berry curvature),以讀取存儲在這些移動原子層之間的數據信息。這種量子特性就像一度磁場,可以引起材料中的電子定向偏移,再結合非線性霍爾輸運效應,從而在不干擾堆叠的情况下讀取原子層的排列。


半金屬二碲化鎢具有異常巨大的“貝利曲率”,而且不同堆叠方式具有非常不同的“貝利曲率”,利用這一量子特性可以很好區分不同堆叠以及金屬極化態。這一發現,解决了鐵電金屬的實空間弱極性長期以來的讀取困難問題。這使鐵電金屬不僅僅在基礎物理探索上有趣,更證明這類材料可能具有相當於主流半導體和鐵電絕緣體的應用前景。改變堆叠方式,只涉及范德華鍵的斷裂, 因此能量消耗比傳統相變材料共價鍵斷裂重組所消耗的能量可低100餘倍,這爲研發更加節能的存儲設備提供了新的平台,有助我們進發至一個持續發展和智能的未來。


參考文獻: 【1】J. Xiao, Y. Wang, H. Wang, C. D. Pemmaraju, S. Wang, P. Muscher, E. J. Sie, C. M. Nyby, T. P. Devereaux, X. Qian, X. Zhang, & A. M. Lindenberg, "Berry curvature memory through electrically driven stacking transitions." Nature Physics, 2020. 【2】Y. Wang, J. Xiao, H. Zhu, Y. Li, Y. Alsaid, K. Y. Fong, Y. Zhou, S. Wang, W. Shi, Y. Wang, A. Zettl, E. J. Reed & X. Zhang, "Structural phase transition in monolayer MoTe2 driven by electrostatic doping." Nature, 550, 2017. 【3】Sie, E.J., Nyby, C.M., Pemmaraju, C.D. et al. "An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal. " Nature 565, (2019).



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張翔教授團隊重大研究突破運用量子幾何實現數據儲存

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