神奇的光控拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料

這項(xiàng)有望導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)革命的研究，受到了 Lindenberg 實(shí)驗(yàn)室在2019年相關(guān)研究的啟發(fā)。當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)名為“用光在拓?fù)洳牧现锌刂破洳牧咸匦缘拈_(kāi)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(gè)表面移動(dòng)到另一個(gè)表面，就好像兩者之間沒(méi)有任何阻擋一樣。隨后，他們證明了通過(guò)光脈沖能切換材料的穩(wěn)定拓?fù)錉顟B(tài)，來(lái)開(kāi)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(lái)的量子計(jì)算機(jī)和無(wú)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(gè)幾何對(duì)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(dòng)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(duì)拓?fù)洳牧系难芯恳搏@得了 2016 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

Lindenberg 實(shí)驗(yàn)室一直致力于尋找利用光和張力來(lái)操縱拓?fù)洳牧系姆椒ǎ?chuàng)造出可能對(duì)未來(lái)應(yīng)用有用的新材料狀態(tài)。他們的研究重點(diǎn)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?cè)缫烟岢?，?dāng)材料處于拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，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(diǎn)”（Weyl nodes），這種節(jié)點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)出獨(dú)特的電子特性，比如零電阻導(dǎo)電。這些點(diǎn)被認(rèn)為有蟲(chóng)洞一般的特征，它們?cè)诓牧系南鄬?duì)表面之間隧穿電子。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)太赫茲輻射脈沖來(lái)調(diào)整材料的性能。太赫茲輻射是一種不可見(jiàn)的光，其波長(zhǎng)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(kāi)。不過(guò)因?yàn)槌旒す馐鸬姆瞧胶鈶B(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時(shí)也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如何克服這些難點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲(chǔ)和讀取，就是如今這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)太赫茲輻射脈沖來(lái)調(diào)整材料的性能。太赫茲輻射是一種不可見(jiàn)的光，其波長(zhǎng)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(kāi)。不過(guò)因?yàn)槌旒す馐鸬姆瞧胶鈶B(tài)偏移非常有限而且不能穩(wěn)定存在，同時(shí)也是在接近一百層原子層的較厚晶體內(nèi)實(shí)現(xiàn)。如何克服這些難點(diǎn)去實(shí)現(xiàn)超薄節(jié)能的量子器件存儲(chǔ)和讀取，就是如今這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)。

動(dòng)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(dòng)，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(lái)回?cái)[動(dòng)，為了清楚起見(jiàn)，此動(dòng)畫中的動(dòng)作已被放大（來(lái)源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory）

為開(kāi)發(fā)新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料奠定基礎(chǔ)

在此基礎(chǔ)上，研究人員將 3 個(gè)原子層厚的二碲化鎢金屬層堆疊起來(lái)，就好像一副納米級(jí)別的撲克牌。通過(guò)向堆棧中注入少量的載流子或施加縱向電場(chǎng)，他們讓每一個(gè)奇數(shù)層相對(duì)于它上下面的偶數(shù)層都發(fā)生了橫向滑移。通過(guò)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(lì)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(kāi)關(guān)，讓其像 0 和 1 一樣來(lái)存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。” Lindenberg 說(shuō)道。

論文第一作者肖俊說(shuō)：“來(lái)回移動(dòng)這些金屬層所需要的能量十分少，如用于數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，這意味著向新設(shè)備中寫入一個(gè) 0 或 1 所消耗的能量，要比現(xiàn)在的非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)所需的能量少得多?！彼硎?，根據(jù) 2019 年在《自然》雜志發(fā)表的研究結(jié)果，原子層滑動(dòng)的頻率是可以達(dá)到太赫茲波段的，類比到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)在這些移動(dòng)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(chǎng)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。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的博士生王華的理論計(jì)算支持。在研究人員觀察到與理論計(jì)算相符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后，他們進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算，從而使他們相信，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)將極大地提高這種新方法的存儲(chǔ)容量。

而這將為向新的、更遠(yuǎn)的方向鋪平道路，將會(huì)讓超薄二維材料成為功能更強(qiáng)大的非易失性存儲(chǔ)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(lái)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(zhǎng)期以來(lái)，由于鐵電金屬的實(shí)空間弱極性，帶來(lái)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(duì)已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利，同時(shí)這一概念驗(yàn)證的成功，促使他們將進(jìn)一步完善內(nèi)存原型和設(shè)計(jì)去優(yōu)化存儲(chǔ)指標(biāo)。他們還計(jì)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(chǔ)介質(zhì)的綜合性能可能比二碲化鎢還要好。

Aaron Lindenberg 補(bǔ)充道：“這里科學(xué)的底線是，對(duì)這些超薄層進(jìn)行非常細(xì)微的調(diào)整，就會(huì)對(duì)其功能特性產(chǎn)生很大影響。我們可以利用這些知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)新的節(jié)能設(shè)備，朝著可持續(xù)和智能的未來(lái)發(fā)展?！?/p>

第一作者簡(jiǎn)介

肖俊，2012 年畢業(yè)于南京大學(xué)物理學(xué)院，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。2018 年畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley），獲應(yīng)用物理博士學(xué)位?，F(xiàn)為斯坦福大學(xué)材料系博士后。致力于低維拓?fù)湎嘧?，鐵電和光致非平衡態(tài)材料在信息與能源中的應(yīng)用。迄今為止，肖俊博士作為第一作者已經(jīng)在?Nature，Nature Physics，Nature Nanotechnology，Physical Review Letters，Nature Communications?等國(guó)際高端學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇論文。

-End-

參考：

J. Xiao, Y. Wang, et al., Nature Physics, 29 June 2020 (10.1038/s41567-020-0947-0)

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-06/ssoe-sts062320.php

http://dx.doi.org/10.1038/s41567-020-0947-0

https://www6.slac.stanford.edu/news/2019-01-07-slacstanford-team-discovers-new-way-switching-exotic-properties-and-topological

E. J. Sie, C. M. Nyby, et al., Nature, 3 January 2019 (10.1038/s41586-018-0809-4)

轉(zhuǎn)載自DeepTech深科技，侵刪！

zhupb