团队展示如何使用二维材料而不是硅芯片来存储数据

斯坦福大学领导的一个团队发明了一种通过将原子级薄金属层相互滑动来存储数据的方法,这种方法可以在比硅芯片更小的空间中装入更多的数据,同时使用更少的能源。

这项由斯坦福大学材料科学与工程副教授 Aaron Lindenberg 和 SLAC 加速器实验室领导的研究将是对非易失性存储器类型的重大升级,如今的计算机通过闪存芯片等硅基技术实现。

加州大学伯克利分校机械工程师张翔、德克萨斯 A&M 材料科学家钱晓峰和斯坦福大学/SLAC 材料科学与工程教授 Thomas Devereaux 也帮助指导了这些实验,这些实验在《自然物理学》杂志上有所描述。这一突破基于新发现的一类金属,这些金属形成了令人难以置信的薄层,在这种情况下只有三个原子厚。研究人员将这些由称为二碲化钨的金属制成的层堆叠起来,就像一副纳米级的纸牌。通过向堆栈中注入一点点电,它们导致每个奇数层相对于它上面和下面的偶数层移动如此轻微。偏移是永久性的或非易失性的,直到另一次电流震动导致奇数层和偶数层再次重新排列。

“层的排列成为一种编码信息的方法,”林登伯格说,创建了存储二进制数据的开关、1 和 0 。

为了读取存储在这些移动原子层之间的数字数据,研究人员利用了一种称为 Berry 曲率的量子特性,这种特性就像磁场一样,可以操纵材料中的电子来读取层的排列,而不会干扰堆栈。

Lindenberg 实验室的博士后学者、该论文的第一作者 Jun Xiao 说,来回移动这些层只需要很少的能量。这意味着与当今的非易失性存储器技术相比,向新设备“写入”0 或 1 所需的能量要少得多。此外,根据去年发表在《自然》杂志上的同一研究小组的研究,原子层的滑动发生得如此之快,以至于数据存储的速度比当前技术快一百多倍。

原型设备的设计部分基于德州农工大学助理教授钱晓峰和他实验室研究生王华的理论计算。在研究人员观察到与理论预测一致的实验结果后,他们进行了进一步的计算,这使他们相信对设计的进一步改进将大大提高这种新方法的存储容量,为转向新的、更远的方法铺平道路。使用超薄二维材料的更强大的非易失性存储器。

该团队已经为他们的技术申请了专利,同时他们进一步完善了他们的内存原型和设计。他们还计划寻找比二碲化钨更适合用作数据存储介质的其他二维材料。

“这里的科学底线,”林登伯格补充道,“对这些超薄层进行非常微小的调整,对其功能特性有很大影响。我们可以利用这些知识来设计新的节能设备,以实现可持续和智能的未来。 ”

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