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)動磁盤片轉(zhuǎn)動，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，而兩個磁極就分別表示了計算機(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 芯片作為儲存數(shù)據(jù)的介質(zhì)，F(xiàn)lash 芯片上包含許多儲存單元，這些儲存單元依靠是否存放電子來表示 0 和 1：當(dāng)一個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)合實驗團(tuán)隊發(fā)明了一種全新的數(shù)據(jù)存儲方法，他們讓僅有 3 個原子層厚的二碲化鎢（WTe2）金屬層相互滑動，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 來儲存數(shù)據(jù)。相比于現(xiàn)有的非易失性（NVW）存儲器，這種方法提供了一種可行的機(jī)制與新的材料平臺，來實現(xiàn)更小空間且更少能耗卻存儲更多的數(shù)據(jù)，并且能百倍提高存儲速度，這對于實現(xiàn)新興的內(nèi)存計算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算極為有利。

這項研究集合了多個學(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 實驗室的博士后研究員，博士畢業(yè)于張翔教授組。

該研究結(jié)果對非易失性存儲類型來說，是一次革新的概念，可帶來重大升級，證實不基于傳統(tǒng)硅材料的二維半金屬也可進(jìn)行存儲和讀取，該項成果發(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 個原子層厚度的金屬層（圖中金球）的相對位置來存儲數(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

這項有望導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲革命的研究，受到了 Lindenberg 實驗室在2019年相關(guān)研究的啟發(fā)。當(dāng)時，這項名為“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表面移動到另一個表面，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?，但它類似地?dǎo)致了非凡的魯棒性：在外部擾動下，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。

Lindenberg 實驗室一直致力于尋找利用光和張力來操縱拓?fù)洳牧系姆椒?，并?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?？茖W(xué)家們早已提出，當(dāng)材料處于拓?fù)錉顟B(tài)時，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”（Weyl nodes），這種節(jié)點會表現(xiàn)出獨特的電子特性，比如零電阻導(dǎo)電。這些點被認(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。

在之前的實驗中，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。不過因為超快激光束引起的非平衡態(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實現(xiàn)。如何克服這些難點去實現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲和讀取，就是如今這項研究的出發(fā)點。

在之前的實驗中，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。不過因為超快激光束引起的非平衡態(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實現(xiàn)。如何克服這些難點去實現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲和讀取，就是如今這項研究的出發(fā)點。

動圖 |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，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擺動，為了清楚起見，此動畫中的動作已被放大（來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

為開發(fā)新一代數(shù)據(jù)存儲材料奠定基礎(chǔ)

在此基礎(chǔ)上，研究人員將 3 個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 一樣來存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)。” Lindenberg 說道。

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

隨后，為了讀取存儲在這些移動原子層之間的數(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）

這項實驗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驗室的博士生王華的理論計算支持。在研究人員觀察到與理論計算相符的實驗結(jié)果之后，他們進(jìn)行了進(jìn)一步的計算，從而使他們相信，對其設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)將極大地提高這種新方法的存儲容量。

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

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)隊已經(jīng)為這項技術(shù)申請了專利，同時這一概念驗證的成功，促使他們將進(jìn)一步完善內(nèi)存原型和設(shè)計去優(yōu)化存儲指標(biāo)。他們還計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)存儲介質(zhì)的綜合性能可能比二碲化鎢還要好。