L'emergere dell'intelligenza artificiale e delle tecniche di apprendimento automatico sta cambiando radicalmente il mondo con nuove applicazioni come Internet delle cose, veicoli autonomi, elaborazione di immagini in tempo reale e analisi dei big data nel settore sanitario. Nel 2020, si stima che il volume di dati globale raggiunga i 44 Zettabyte, e continuerà a crescere oltre l'attuale capacità dei dispositivi di elaborazione e archiviazione. Allo stesso tempo, il relativo consumo di elettricità aumenterà di 15 volte entro il 2030, inghiottendo l'8% del fabbisogno energetico mondiale. Perciò, è urgente ridurre il consumo di energia e aumentare la velocità della tecnologia di archiviazione delle informazioni.

I ricercatori di Berkeley guidati dal presidente della HKU, il professor Xiang Zhang, quando era a Berkeley, in collaborazione con il team del professor Aaron Lindenberg alla Stanford University, inventato un nuovo metodo di memorizzazione dei dati:fanno scorrere gli strati dispari rispetto agli strati pari in ditelluride di tungsteno, che ha uno spessore di soli 3 nm. La disposizione di questi strati atomici rappresenta 0 e 1 per l'archiviazione dei dati. Questi ricercatori fanno uso creativo della geometria quantistica:curvatura della bacca, per leggere le informazioni. Perciò, questa piattaforma materiale funziona idealmente per la memoria, con operazioni di 'scrittura' e 'lettura' indipendenti. Il consumo di energia utilizzando questo nuovo metodo di archiviazione dei dati può essere oltre 100 volte inferiore rispetto al metodo tradizionale.

Questo lavoro è un'innovazione concettuale per i tipi di archiviazione non volatile e può potenzialmente portare una rivoluzione tecnologica. Per la prima volta, i ricercatori dimostrano che i semimetalli bidimensionali, andando oltre il tradizionale materiale in silicone, può essere utilizzato per l'archiviazione e la lettura delle informazioni. Questo lavoro è stato pubblicato nell'ultimo numero della rivista Fisica della natura . Rispetto alla memoria non volatile (NVW) esistente, questa nuova piattaforma di materiali dovrebbe aumentare la velocità di stoccaggio di due ordini e ridurre i costi energetici di tre ordini, e può facilitare notevolmente la realizzazione dell'elaborazione in-memory emergente e dell'elaborazione di reti neurali.

Questa ricerca è stata ispirata dalla ricerca del team del professor Zhang su "Transizione di fase strutturale di MoTe a strato singolo ₂ guidato da doping elettrostatico, " pubblicato in Natura nel 2017; e la ricerca di Lindenberg Lab su "Uso della luce per controllare l'interruttore delle proprietà dei materiali nei materiali topologici, " pubblicato in Natura nel 2019.

In precedenza, i ricercatori hanno scoperto che nel materiale bidimensionale-ditelluride di tungsteno, quando il materiale è in uno stato topologico, la speciale disposizione degli atomi in questi strati può produrre i cosiddetti "nodi di Weyl, " che mostrerà proprietà elettroniche uniche, come la conduzione a resistenza zero. Questi punti sono considerati avere caratteristiche simili a wormhole, dove gli elettroni si incanalano tra le superfici opposte del materiale. Nel precedente esperimento, i ricercatori hanno scoperto che la struttura del materiale può essere regolata da impulsi di radiazione terahertz, passando così rapidamente tra gli stati topologici e non topologici del materiale, disattivando e riaccendendo effettivamente lo stato di resistenza zero. Il team di Zhang ha dimostrato che lo spessore a livello atomico dei materiali bidimensionali riduce notevolmente l'effetto di schermatura del campo elettrico, e la sua struttura è facilmente influenzata dalla concentrazione di elettroni o dal campo elettrico. Perciò, i materiali topologici al limite bidimensionale possono consentire di trasformare la manipolazione ottica in controllo elettrico, spianando verso i dispositivi elettronici.

In questo lavoro, i ricercatori hanno impilato tre strati atomici di strati metallici di ditelluride di tungsteno, come un mazzo di carte su scala nanometrica. Iniettando una piccola quantità di vettori nella pila o applicando un campo elettrico verticale, facevano scivolare lateralmente ogni strato dispari rispetto agli strati pari sopra e sotto di esso. Attraverso le corrispondenti caratterizzazioni ottiche ed elettriche, hanno osservato che questo slittamento è permanente fino a quando un'altra eccitazione elettrica non innesca la riorganizzazione degli strati. Per di più, per leggere i dati e le informazioni immagazzinate tra questi strati atomici in movimento, i ricercatori hanno utilizzato la "curvatura Berry" estremamente ampia nel materiale semimetallico. Questa caratteristica quantistica è come un campo magnetico, che può guidare la propagazione degli elettroni e provocare un effetto Hall non lineare. Attraverso tale effetto, la disposizione dello strato atomico può essere letta senza disturbare l'impilamento.

Usando questa caratteristica quantistica, si possono distinguere bene diversi stack e stati di polarizzazione del metallo. Questa scoperta risolve la difficoltà di lettura a lungo termine nei metalli ferroelettrici a causa della loro debole polarizzazione. Ciò rende i metalli ferroelettrici non solo interessanti nell'esplorazione fisica di base, ma dimostra anche che tali materiali possono avere prospettive applicative paragonabili ai semiconduttori convenzionali e agli isolanti ferroelettrici. La modifica degli ordini di accatastamento comporta solo la rottura del legame di Van der Waals. Perciò, il consumo di energia è teoricamente di due ordini di grandezza inferiore all'energia consumata rompendo il legame covalente nei tradizionali materiali a cambiamento di fase e fornisce una nuova piattaforma per lo sviluppo di dispositivi di archiviazione più efficienti dal punto di vista energetico e ci aiuta a muoverci verso un futuro sostenibile e intelligente.