隨著電腦在人類工作生活中所占比重越來越大，想必大家都面臨過文件太多需要額外儲(chǔ)存空間，或者利用 U 盤轉(zhuǎn)移文檔等情況。而硬盤，一定是人們最為熟悉的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)載體。

硬盤分為機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤兩種，機(jī)械硬盤由于其信息載體是磁性物質(zhì)，又被人們叫做磁盤。它在工作中，內(nèi)部有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)磁盤片轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過機(jī)械手臂控制磁頭在盤片上進(jìn)行讀寫。在盤片上有序地排列了許多小顆粒的磁性材料，它們可以被永久磁化并改變磁極，而兩個(gè)磁極就分別表示了計(jì)算機(jī)二進(jìn)制中的 0 和 1；這樣就可以記錄數(shù)據(jù)了。

固態(tài)硬盤則沒有復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)，主要以 Flash 芯片作為儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的介質(zhì)，F(xiàn)lash 芯片上包含許多儲(chǔ)存單元，這些儲(chǔ)存單元依靠是否存放電子來表示 0 和 1：當(dāng)一個(gè)單元位置中沒有存放電子，它就是 0；如果存放了電子，它就是 1。

而現(xiàn)在，由斯坦福大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種全新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法，他們讓僅有 3 個(gè)原子層厚的二碲化鎢（WTe2）金屬層相互滑動(dòng)，使得奇數(shù)層與偶數(shù)層發(fā)生穩(wěn)定的偏移，并利用其奇偶層的排列代表 0 和 1 來儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。相比于現(xiàn)有的非易失性（NVW）存儲(chǔ)器，這種方法提供了一種可行的機(jī)制與新的材料平臺(tái)，來實(shí)現(xiàn)更小空間且更少能耗卻存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，并且能百倍提高存儲(chǔ)速度，這對于實(shí)現(xiàn)新興的內(nèi)存計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算極為有利。

這項(xiàng)研究集合了多個(gè)學(xué)校組織的合作，包括斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的副教授 Aaron Lindenberg 組，香港大學(xué)校長、加州大學(xué)伯克利分校張翔教授組，得克薩斯州 A＆M 大學(xué)材料學(xué)助理教授錢曉峰組和斯坦福材料與能源科學(xué)研究所（SIMES）所長 Thomas Devereaux 教授組。該論文的第一作者肖俊，現(xiàn)為 Lindenberg 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，博士畢業(yè)于張翔教授組。

該研究結(jié)果對非易失性存儲(chǔ)類型來說，是一次革新的概念，可帶來重大升級，證實(shí)不基于傳統(tǒng)硅材料的二維半金屬也可進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，該項(xiàng)成果發(fā)表在了近期的《自然·物理學(xué)》雜志上。DeepTech 與肖俊就該研究進(jìn)行了交流。

圖 | 通過改變 3 個(gè)原子層厚度的金屬層（圖中金球）的相對位置來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；漩渦及其顏色揭示了能帶結(jié)構(gòu)里貝利曲率隨著以上堆疊滑移引起的動(dòng)態(tài)變化，通過此量子特性可以讀取通過這種堆疊方法編碼的數(shù)字 1 和 0（來源：Ella Maru Studios）

神奇的光控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料

這項(xiàng)有望導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)革命的研究，受到了 Lindenberg 實(shí)驗(yàn)室在2019年相關(guān)研究的啟發(fā)。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)名為“用光在拓?fù)洳牧现锌刂破洳牧咸匦缘拈_關(guān)” （An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal）的研究發(fā)表在《自然》雜志上。

此前，研究人員發(fā)現(xiàn)一些特殊材料的某種奇怪特性可以讓電子從材料的一個(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面，就好像兩者之間沒有任何阻擋一樣。隨后，他們證明了通過光脈沖能切換材料的穩(wěn)定拓?fù)錉顟B(tài)，來開啟和關(guān)閉這種特性。因此，這提供了一種新的操縱材料的方法，而這種材料則可用于未來的量子計(jì)算機(jī)和無損耗傳輸電流的設(shè)備。

在數(shù)學(xué)中，拓?fù)鋵W(xué)描述的是一個(gè)幾何對象如何在不失去某些屬性的情況下轉(zhuǎn)換成各種形狀。而在材料中，拓?fù)涞母拍罡鼮槌橄螅愃频貙?dǎo)致了非凡的魯棒性：在外部擾動(dòng)下，處于拓?fù)錉顟B(tài)的材料可以保持其奇異的特性，如極低損耗的導(dǎo)電能力。而對拓?fù)洳牧系难芯恳搏@得了 2016 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Lindenberg 實(shí)驗(yàn)室一直致力于尋找利用光和張力來操縱拓?fù)洳牧系姆椒ǎ?chuàng)造出可能對未來應(yīng)用有用的新材料狀態(tài)。他們的研究重點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料——二碲化鎢，它是由二維層堆疊而成的。科學(xué)家們早已提出，當(dāng)材料處于拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，原子在這些層中的特殊排列可以產(chǎn)生所謂的“外爾節(jié)點(diǎn)”（Weyl nodes），這種節(jié)點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的電子特性，比如零電阻導(dǎo)電。這些點(diǎn)被認(rèn)為有蟲洞一般的特征，它們在材料的相對表面之間隧穿電子。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過太赫茲輻射脈沖來調(diào)整材料的性能。太赫茲輻射是一種不可見的光，其波長介于紅外和微波輻射之間。他們發(fā)現(xiàn)用這束光，就能在材料的拓?fù)錉顟B(tài)和非拓?fù)錉顟B(tài)之間進(jìn)行快速切換，有效地將零電阻狀態(tài)關(guān)閉，然后再打開。不過因?yàn)槌旒す馐鸬姆瞧胶鈶B(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時(shí)也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如何克服這些難點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲(chǔ)和讀取，就是如今這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過太赫茲輻射脈沖來調(diào)整材料的性能。太赫茲輻射是一種不可見的光，其波長介于紅外和微波輻射之間。他們發(fā)現(xiàn)用這束光，就能在材料的拓?fù)錉顟B(tài)和非拓?fù)錉顟B(tài)之間進(jìn)行快速切換，有效地將零電阻狀態(tài)關(guān)閉，然后再打開。不過因?yàn)槌旒す馐鸬姆瞧胶鈶B(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時(shí)也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如何克服這些難點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲(chǔ)和讀取，就是如今這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)。

動(dòng)圖 |太赫茲輻射脈沖使拓?fù)洳牧隙诨u中的相鄰原子層沿相反方向移動(dòng)，從而扭曲了該材料的原子結(jié)構(gòu)；跟隨脈沖，結(jié)構(gòu)振蕩，各層圍繞其原始位置來回?cái)[動(dòng)，為了清楚起見，此動(dòng)畫中的動(dòng)作已被放大（來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

為開發(fā)新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料奠定基礎(chǔ)

在此基礎(chǔ)上，研究人員將 3 個(gè)原子層厚的二碲化鎢金屬層堆疊起來，就好像一副納米級別的撲克牌。通過向堆棧中注入少量的載流子或施加縱向電場，他們讓每一個(gè)奇數(shù)層相對于它上下面的偶數(shù)層都發(fā)生了橫向滑移。通過相應(yīng)光學(xué)和電學(xué)表征，他們觀察到這種較大滑移是永久性的，直到另一股電激勵(lì)使奇數(shù)層和偶數(shù)層再次重新排列。

“這些層的排列就成為了一種編碼信息的方法，我們創(chuàng)建了開關(guān)，讓其像 0 和 1 一樣來存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。” Lindenberg 說道。

論文第一作者肖俊說：“來回移動(dòng)這些金屬層所需要的能量十分少，如用于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，這意味著向新設(shè)備中寫入一個(gè) 0 或 1 所消耗的能量，要比現(xiàn)在的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)所需的能量少得多。”他表示，根據(jù) 2019 年在《自然》雜志發(fā)表的研究結(jié)果，原子層滑動(dòng)的頻率是可以達(dá)到太赫茲波段的，類比到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上的速度將比目前的技術(shù)快 100 倍以上。

隨后，為了讀取存儲(chǔ)在這些移動(dòng)原子層之間的數(shù)據(jù)信息，研究人員利用了在該半金屬材料里異常巨大的“貝利曲率”（Berry curvature），這種量子特性就像磁場一樣，可以引起材料中的電子定向偏移，再結(jié)合非線性霍爾輸運(yùn)效應(yīng)，從而在不干擾堆疊的情況下讀取原子層的排列。

圖 | 二碲化鎢金屬層中兩種不同電驅(qū)動(dòng)相變的特征：a. 將自發(fā)極化和貝利曲率偶極分別標(biāo)記為 P 和 D；黃色的球代表 W 原子，黑色的球代表碲（Te）原子；b. 裝置原理圖（來源：Natrure·Physics）

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究特別在貝利曲率和堆疊之間關(guān)系的研究上，得到了論文合作者錢曉峰和他實(shí)驗(yàn)室的博士生王華的理論計(jì)算支持。在研究人員觀察到與理論計(jì)算相符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后，他們進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算，從而使他們相信，對其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)將極大地提高這種新方法的存儲(chǔ)容量。

而這將為向新的、更遠(yuǎn)的方向鋪平道路，將會(huì)讓超薄二維材料成為功能更強(qiáng)大的非易失性存儲(chǔ)器材料。

肖俊表示，半金屬二碲化鎢具有異常巨大的“貝利曲率”，而且不同堆疊方式帶來的“貝利曲率”差異性極強(qiáng)，利用這一量子特性可以很好地區(qū)分不同堆疊及金屬極化態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)解決了長期以來，由于鐵電金屬的實(shí)空間弱極性，帶來的讀取區(qū)分不同極化態(tài)的障礙。進(jìn)而使得鐵電金屬不僅是在基礎(chǔ)物理的探索上很有趣，還證明了這類材料可能具有與主流半導(dǎo)體和鐵電絕緣體相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景。

目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請了專利，同時(shí)這一概念驗(yàn)證的成功，促使他們將進(jìn)一步完善內(nèi)存原型和設(shè)計(jì)去優(yōu)化存儲(chǔ)指標(biāo)。他們還計(jì)劃尋找其他二維材料包括一些半金屬和窄能帶體系，這些材料作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的綜合性能可能比二碲化鎢還要好。