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华人科学家领衔二维半金属储存介质研究,存储速度提升百倍!

随着电脑在人类工作生活中所占比重越来越大,想必大家都面临过文件太多需要额外储存空间,或者利用 U 盘转移文档等情况。而硬盘,一定是人们最为熟悉的数据存储载体。

硬盘分为机械硬盘和固态硬盘两种,机械硬盘由于其信息载体是磁性物质,又被人们叫做磁盘。它在工作中,内部有马达驱动磁盘片转动,然后通过机械手臂控制磁头在盘片上进行读写。在盘片上有序地排列了许多小颗粒的磁性材料,它们可以被永久磁化并改变磁极,而两个磁极就分别表示了计算机二进制中的 0 和 1;这样就可以记录数据了。

固态硬盘则没有复杂的机械机构,主要以 Flash 芯片作为储存数据的介质,Flash 芯片上包含许多储存单元,这些储存单元依靠是否存放电子来表示 0 和 1:当一个单元位置中没有存放电子,它就是 0;如果存放了电子,它就是 1。

而现在,由斯坦福大学研究人员领导的联合实验团队发明了一种全新的数据存储方法,他们让仅有 3 个原子层厚的二碲化钨(WTe2)金属层相互滑动,使得奇数层与偶数层发生稳定的偏移,并利用其奇偶层的排列代表 0 和 1 来储存数据。相比于现有的非易失性(NVW)存储器,这种方法提供了一种可行的机制与新的材料平台,来实现更小空间且更少能耗却存储更多的数据,并且能百倍提高存储速度,这对于实现新兴的内存计算和神经网络计算极为有利。

这项研究集合了多个学校组织的合作,包括斯坦福大学材料科学与工程学院的副教授 Aaron Lindenberg 组,香港大学校长、加州大学伯克利分校张翔教授组,得克萨斯州 A&M 大学材料学助理教授钱晓峰组和斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)所长 Thomas Devereaux 教授组。该论文的第一作者肖俊,现为 Lindenberg 实验室的博士后研究员,博士毕业于张翔教授组。

该研究结果对非易失性存储类型来说,是一次革新的概念,可带来重大升级,证实不基于传统硅材料的二维半金属也可进行存储和读取,该项成果发表在了近期的《自然·物理学》杂志上。DeepTech 与肖俊就该研究进行了交流。

图 | 通过改变 3 个原子层厚度的金属层(图中金球)的相对位置来存储数据;漩涡及其颜色揭示了能带结构里贝利曲率随着以上堆叠滑移引起的动态变化,通过此量子特性可以读取通过这种堆叠方法编码的数字 1 和 0(来源:Ella Maru Studios)

神奇的光控拓扑结构材料

这项有望导致数据存储革命的研究,受到了 Lindenberg 实验室在2019年相关研究的启发。当时,这项名为“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)的研究发表在《自然》杂志上。

此前,研究人员发现一些特殊材料的某种奇怪特性可以让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。因此,这提供了一种新的操纵材料的方法,而这种材料则可用于未来的量子计算机和无损耗传输电流的设备。

在数学中,拓扑学描述的是一个几何对象如何在不失去某些属性的情况下转换成各种形状。而在材料中,拓扑的概念更为抽象,但它类似地导致了非凡的鲁棒性:在外部扰动下,处于拓扑状态的材料可以保持其奇异的特性,如极低损耗的导电能力。而对拓扑材料的研究也获得了 2016 年的诺贝尔物理学奖。

Lindenberg 实验室一直致力于寻找利用光和张力来操纵拓扑材料的方法,并创造出可能对未来应用有用的新材料状态。他们的研究重点是拓扑结构材料——二碲化钨,它是由二维层堆叠而成的。科学家们早已提出,当材料处于拓扑状态时,原子在这些层中的特殊排列可以产生所谓的“外尔节点”(Weyl nodes),这种节点会表现出独特的电子特性,比如零电阻导电。这些点被认为有虫洞一般的特征,它们在材料的相对表面之间隧穿电子。

在之前的实验中,研究人员发现可以通过太赫兹辐射脉冲来调整材料的性能。太赫兹辐射是一种不可见的光,其波长介于红外和微波辐射之间。他们发现用这束光,就能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。不过因为超快激光束引起的非平衡态偏移非常有限而且不能稳定存在,同时也是在接近一百层原子层的较厚晶体内实现。如何克服这些难点去实现超薄节能的量子器件存储和读取,就是如今这项研究的出发点。

在之前的实验中,研究人员发现可以通过太赫兹辐射脉冲来调整材料的性能。太赫兹辐射是一种不可见的光,其波长介于红外和微波辐射之间。他们发现用这束光,就能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。不过因为超快激光束引起的非平衡态偏移非常有限而且不能稳定存在,同时也是在接近一百层原子层的较厚晶体内实现。如何克服这些难点去实现超薄节能的量子器件存储和读取,就是如今这项研究的出发点。

动图 |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,从而扭曲了该材料的原子结构;跟随脉冲,结构振荡,各层围绕其原始位置来回摆动,为了清楚起见,此动画中的动作已被放大(来源:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

为开发新一代数据存储材料奠定基础

在此基础上,研究人员将 3 个原子层厚的二碲化钨金属层堆叠起来,就好像一副纳米级别的扑克牌。通过向堆栈中注入少量的载流子或施加纵向电场,他们让每一个奇数层相对于它上下面的偶数层都发生了横向滑移。通过相应光学和电学表征,他们观察到这种较大滑移是永久性的,直到另一股电激励使奇数层和偶数层再次重新排列。

“这些层的排列就成为了一种编码信息的方法,我们创建了开关,让其像 0 和 1 一样来存储二进制数据。” Lindenberg 说道。

论文第一作者肖俊说:“来回移动这些金属层所需要的能量十分少,如用于数据储存,这意味着向新设备中写入一个 0 或 1 所消耗的能量,要比现在的非易失性存储器技术所需的能量少得多。”他表示,根据 2019 年在《自然》杂志发表的研究结果,原子层滑动的频率是可以达到太赫兹波段的,类比到数据存储上的速度将比目前的技术快 100 倍以上。

随后,为了读取存储在这些移动原子层之间的数据信息,研究人员利用了在该半金属材料里异常巨大的“贝利曲率”(Berry curvature),这种量子特性就像磁场一样,可以引起材料中的电子定向偏移,再结合非线性霍尔输运效应,从而在不干扰堆叠的情况下读取原子层的排列。

图 | 二碲化钨金属层中两种不同电驱动相变的特征:a. 将自发极化和贝利曲率偶极分别标记为 P 和 D;黄色的球代表 W 原子,黑色的球代表碲(Te)原子;b. 装置原理图(来源:Natrure·Physics)

这项实验研究特别在贝利曲率和堆叠之间关系的研究上,得到了论文合作者钱晓峰和他实验室的博士生王华的理论计算支持。在研究人员观察到与理论计算相符的实验结果之后,他们进行了进一步的计算,从而使他们相信,对其设计进行优化改进将极大地提高这种新方法的存储容量。

而这将为向新的、更远的方向铺平道路,将会让超薄二维材料成为功能更强大的非易失性存储器材料。

肖俊表示,半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很好地区分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。

目前研究团队已经为这项技术申请了专利,同时这一概念验证的成功,促使他们将进一步完善内存原型和设计去优化存储指标。他们还计划寻找其他二维材料包括一些半金属和窄能带体系,这些材料作为数据存储介质的综合性能可能比二碲化钨还要好。

Aaron Lindenberg 补充道:“这里科学的底线是,对这些超薄层进行非常细微的调整,就会对其功能特性产生很大影响。我们可以利用这些知识来设计新的节能设备,朝着可持续和智能的未来发展。”

第一作者简介

图 | 肖俊博士(来源:本人)

肖俊,2012 年毕业于南京大学物理学院,获理学学士学位。2018 年毕业于加州大学伯克利分校(UC Berkeley),获应用物理博士学位。现为斯坦福大学材料系博士后。致力于低维拓扑相变,铁电和光致非平衡态材料在信息与能源中的应用。迄今为止,肖俊博士作为第一作者已经在 Nature,Nature Physics,Nature Nanotechnology,Physical Review Letters,Nature Communications 等国际高端学术期刊发表多篇论文。

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参考:

J. Xiao, Y. Wang, et al., Nature Physics, 29 June 2020 (10.1038/s41567-020-0947-0)

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-06/ssoe-sts062320.php

http://dx.doi.org/10.1038/s41567-020-0947-0

https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-01-07-slacstanford-team-discovers-new-way-switching-exotic-properties-and-topological

E. J. Sie, C. M. Nyby, et al., Nature, 3 January 2019 (10.1038/s41586-018-0809-4)

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