O surgimento da inteligência artificial e das técnicas de aprendizado de máquina está mudando o mundo dramaticamente com novos aplicativos, como a Internet das coisas, veículos autônomos, processamento de imagens em tempo real e análise de big data na área de saúde. Em 2020, o volume global de dados é estimado em 44 zetabytes, e continuará a crescer além da capacidade atual de dispositivos de computação e armazenamento. Ao mesmo tempo, o consumo de eletricidade relacionado aumentará 15 vezes até 2030, engolindo 8% da demanda global de energia. Portanto, a redução do consumo de energia e o aumento da velocidade da tecnologia de armazenamento de informações são uma necessidade urgente.

Pesquisadores de Berkeley liderados pelo presidente da HKU, Professor Xiang Zhang, quando ele estava em Berkeley, em colaboração com a equipe do Professor Aaron Lindenberg na Universidade de Stanford, inventou um novo método de armazenamento de dados:eles fazem as camadas ímpares deslizarem em relação às camadas pares no ditelureto de tungstênio, que tem apenas 3 nm de espessura. O arranjo dessas camadas atômicas representa 0 e 1 para armazenamento de dados. Esses pesquisadores fazem uso criativo da geometria quântica:curvatura de Berry, para ler as informações. Portanto, esta plataforma de material funciona idealmente para a memória, com operação independente de 'gravação' e 'leitura'. O consumo de energia usando este novo método de armazenamento de dados pode ser mais de 100 vezes menor do que o método tradicional.

Este trabalho é uma inovação conceitual para tipos de armazenamento não voláteis e pode potencialmente trazer uma revolução tecnológica. Pela primeira vez, os pesquisadores provam que os semimetais bidimensionais, indo além do material de silício tradicional, pode ser usado para armazenamento e leitura de informações. Este trabalho foi publicado na última edição da revista. Física da Natureza . Comparado com a memória não volátil existente (NVW), espera-se que esta nova plataforma de material aumente a velocidade de armazenamento em dois pedidos e diminua o custo de energia em três pedidos, e pode facilitar muito a realização de computação in-memory emergente e computação de rede neural.

Esta pesquisa foi inspirada na pesquisa da equipe do Professor Zhang sobre "Transição de fase estrutural do MoTe de camada única ₂ conduzido por dopagem eletrostática, " publicado em Natureza em 2017; e a pesquisa do Lindenberg Lab sobre "Uso da luz para controlar a mudança das propriedades dos materiais em materiais topológicos, " publicado em Natureza em 2019.

Anteriormente, pesquisadores descobriram que no ditelureto de tungstênio material bidimensional, quando o material está em um estado topológico, o arranjo especial de átomos nessas camadas pode produzir os chamados "nós de Weyl, "que exibirá propriedades eletrônicas únicas, como condução de resistência zero. Esses pontos são considerados como tendo características semelhantes a buracos de minhoca, onde os elétrons fazem um túnel entre superfícies opostas do material. No experimento anterior, os pesquisadores descobriram que a estrutura do material pode ser ajustada por pulso de radiação terahertz, assim, alternando rapidamente entre os estados topológicos e não topológicos do material, efetivamente desligando o estado de resistência zero e ligando-o novamente. A equipe de Zhang provou que a espessura do nível atômico dos materiais bidimensionais reduz muito o efeito de blindagem do campo elétrico, e sua estrutura é facilmente afetada pela concentração de elétrons ou campo elétrico. Portanto, materiais topológicos no limite bidimensional podem permitir a transformação da manipulação óptica em controle elétrico, pavimentação para dispositivos eletrônicos.

Nesse trabalho, os pesquisadores empilharam três camadas atômicas de camadas de metal ditelureto de tungstênio, como um baralho de cartas em nanoescala. Ao injetar uma pequena quantidade de transportadores na pilha ou aplicar um campo elétrico vertical, eles fizeram com que cada camada ímpar deslizasse lateralmente em relação às camadas pares acima e abaixo dela. Por meio das caracterizações óticas e elétricas correspondentes, eles observaram que esse deslize é permanente até que outra excitação elétrica desencadeie camadas para reorganizar. Além disso, a fim de ler os dados e informações armazenados entre essas camadas atômicas móveis, os pesquisadores usaram a "curvatura Berry" extremamente grande no material semimetálico. Esta característica quântica é como um campo magnético, que pode orientar a propagação dos elétrons e resultar em efeito Hall não linear. Por meio desse efeito, o arranjo da camada atômica pode ser lido sem perturbar o empilhamento.

Usando esta característica quântica, diferentes pilhas e estados de polarização de metal podem ser bem distinguidos. Esta descoberta resolve a dificuldade de leitura de longo prazo em metais ferroelétricos devido à sua polarização fraca. Isso torna os metais ferroelétricos não apenas interessantes na exploração física básica, mas também prova que tais materiais podem ter perspectivas de aplicação comparáveis ​​aos semicondutores convencionais e isoladores ferroelétricos. Alterar as ordens de empilhamento envolve apenas a quebra do vínculo de Van der Waals. Portanto, o consumo de energia é teoricamente duas ordens de magnitude menor do que a energia consumida pela quebra da ligação covalente em materiais de mudança de fase tradicionais e fornece uma nova plataforma para o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento mais eficientes em energia e nos ajuda a avançar em direção a um futuro sustentável e inteligente.