L'émergence de l'intelligence artificielle et des techniques d'apprentissage automatique change radicalement le monde avec de nouvelles applications telles que l'Internet des objets, véhicules autonomes, traitement d'imagerie en temps réel et analyse des mégadonnées dans le domaine de la santé. En 2020, le volume global de données est estimé à 44 zettaoctets, et il continuera de croître au-delà de la capacité actuelle des appareils de calcul et de stockage. À la fois, la consommation électrique associée sera multipliée par 15 d'ici 2030, engloutissant 8 % de la demande énergétique mondiale. Par conséquent, la réduction de la consommation d'énergie et l'augmentation de la vitesse de la technologie de stockage de l'information sont un besoin urgent.

Les chercheurs de Berkeley dirigés par le président de la HKU, le professeur Xiang Zhang, lorsqu'il était à Berkeley, en collaboration avec l'équipe du professeur Aaron Lindenberg à l'Université de Stanford, inventé une nouvelle méthode de stockage de données :ils font glisser les couches impaires par rapport aux couches paires en ditellurure de tungstène, qui ne fait que 3 nm d'épaisseur. La disposition de ces couches atomiques représente 0 et 1 pour le stockage des données. Ces chercheurs utilisent de manière créative la géométrie quantique :courbure de Berry, pour lire les informations. Par conséquent, cette plateforme matérielle fonctionne idéalement pour la mémoire, avec des opérations indépendantes d'écriture et de lecture. La consommation d'énergie utilisant cette nouvelle méthode de stockage de données peut être plus de 100 fois inférieure à celle de la méthode traditionnelle.

Ce travail est une innovation conceptuelle pour les types de stockage non volatils et peut potentiellement apporter une révolution technologique. Pour la première fois, les chercheurs prouvent que les semi-métaux bidimensionnels, aller au-delà du silicium traditionnel, peut être utilisé pour le stockage et la lecture d'informations. Ce travail a été publié dans le dernier numéro de la revue Physique de la nature . Par rapport à la mémoire non volatile (NVW) existante, cette nouvelle plate-forme matérielle devrait augmenter la vitesse de stockage de deux commandes et réduire les coûts énergétiques de trois commandes, et il peut grandement faciliter la réalisation de l'informatique en mémoire émergente et de l'informatique de réseau neuronal.

Cette recherche a été inspirée par les recherches de l'équipe du professeur Zhang sur « la transition de phase structurale du MoTe monocouche 2 entraîné par dopage électrostatique, " Publié dans La nature en 2017; et les recherches du Lindenberg Lab sur « L'utilisation de la lumière pour contrôler le changement de propriétés des matériaux dans les matériaux topologiques, " Publié dans La nature en 2019.

Précédemment, les chercheurs ont découvert que dans le matériau bidimensionnel ditellurure de tungstène, lorsque le matériau est dans un état topologique, l'arrangement spécial des atomes dans ces couches peut produire ce qu'on appelle des "nœuds de Weyl, " qui présentera des propriétés électroniques uniques, comme la conduction à résistance nulle. Ces points sont considérés comme ayant des caractéristiques semblables à des trous de ver, où les électrons creusent un tunnel entre les surfaces opposées du matériau. Dans l'expérience précédente, les chercheurs ont découvert que la structure du matériau peut être ajustée par une impulsion de rayonnement térahertz, basculer ainsi rapidement entre les états topologiques et non topologiques du matériau, désactiver et réactiver efficacement l'état de résistance zéro. L'équipe de Zhang a prouvé que l'épaisseur au niveau atomique des matériaux bidimensionnels réduit considérablement l'effet d'écran du champ électrique, et sa structure est facilement affectée par la concentration électronique ou le champ électrique. Par conséquent, les matériaux topologiques à limite bidimensionnelle peuvent permettre de transformer la manipulation optique en commande électrique, pavage vers les appareils électroniques.

Dans ce travail, les chercheurs ont empilé trois couches atomiques de couches métalliques de ditellurure de tungstène, comme un jeu de cartes à l'échelle nanométrique. En injectant une petite quantité de porteurs dans la pile ou en appliquant un champ électrique vertical, ils ont fait glisser chaque couche impaire latéralement par rapport aux couches paires au-dessus et en dessous. A travers les caractérisations optiques et électriques correspondantes, ils ont observé que ce glissement est permanent jusqu'à ce qu'une autre excitation électrique déclenche le réarrangement des couches. Par ailleurs, afin de lire les données et informations stockées entre ces couches atomiques en mouvement, les chercheurs ont utilisé la très grande "courbure de Berry" dans le matériau semi-métallique. Cette caractéristique quantique est comme un champ magnétique, qui peut orienter la propagation des électrons et entraîner un effet Hall non linéaire. Par un tel effet, l'agencement de la couche atomique peut être lu sans perturber l'empilement.

En utilisant cette caractéristique quantique, différents empilements et états de polarisation du métal peuvent être bien distingués. Cette découverte résout la difficulté de lecture à long terme des métaux ferroélectriques en raison de leur faible polarisation. Cela rend les métaux ferroélectriques non seulement intéressants dans l'exploration physique de base, mais prouve également que de tels matériaux peuvent avoir des perspectives d'application comparables aux semi-conducteurs conventionnels et aux isolants ferroélectriques. La modification des ordres d'empilement n'implique que la rupture de l'obligation Van der Waals. Par conséquent, la consommation d'énergie est théoriquement inférieure de deux ordres de grandeur à l'énergie consommée par la rupture de la liaison covalente dans les matériaux à changement de phase traditionnels et fournit une nouvelle plate-forme pour le développement de dispositifs de stockage plus économes en énergie et nous aide à avancer vers un avenir durable et intelligent.