人工智能和机器学习创新科技的出现，为全球科技发展带来蜕变，应用在物联网、自动驾驶汽车等新颖程序和产品发明，令未来生活充满想象的空间；应用在前沿医疗范畴，实现实时成像处理和大数据分析，能提升诊断精确度并提供适切的治疗方案，对提升人类健康意义重大。
2020年全球数据数量估计达到44 Zettabytes，用量将继续增长，挑战目前计算能力和存储设备的极限。而相关用电量到2030年估计将增加15倍，吞噬全球8％能源需求。因此，在存储设备的能耗和速度上寻求突破，是科研一个重要且迫切的方向。
香港大学校长张翔教授在加州大学伯克利分校担任教授时带领的科研团队，和斯坦福大学Aaron Lindenberg 教授的团队合作，发明了一种崭新的数据存储方法：利用仅有3个原子层厚的二维（2D）二碲化钨金属层，研究人员对金属薄层结构施加微小电流，使其奇数层相对于偶数层发生稳定的偏移，利用奇偶层的排列来代表 0 和 1以存储二进制数据，藉以大幅增加数据存储量。数据写入后，研究团队再创造性地利用材料的量子特性 - 贝利曲率，读取数据。这种新型数据储存方式的能量消耗可比传统方式低100余倍。
研究结果对非易失性存储，即在关闭计算器或在突然情况下意外关机的时候，数据不会丢失的相关技术上，是一项重大的概念革新，有望带来新技术突破。今次也是在传统的硅材料以外，首次发现半金属也可进行数据存储和读取。研究结果已在重要国际学术期刊《自然·物理学》（Nature Physics）发表 [ref 1]。
研究团队认为，相比于现有的非易失性存储器，这种方法提供了一种可行的机制和新的材料平台，实现在更小的空间、耗更少的能源下存储更多的数据，有望提高存储速度达100倍，实现新兴的内存计算科技和脑神经网络计算的发展。
今次研究是受张教授团队在2017年在《自然》发表的“静电掺杂驱动单层MoTe2 的结构相变”[ref 2]和 Lindenberg 实验室于2019年在《自然》发表的“用光在拓扑材料中控制其材料特性的开关”的两项研究[ref 3]的启发而展开。
此前的研究发现，当二维材料二碲化钨处于拓扑状态时，原子在薄层结构中的特殊排列，可以产生一种名为“外尔节点”（Weyl nodes）的效应，表现出零电阻导电等的独特电子特性。这些节点被认为有着虫洞般（wormhole-like）的特征，电子可以隧穿于材料的相对表面之间。在之前的实验，研究人员发现材料的结构可以由太赫兹辐射脉冲（terahertz radiation pulse）调节，快速在拓扑和非拓扑状态之间进行切换，有效地将零电阻状态关闭和打开。张翔团队早前的实验证明，二维材料原子层的厚度会大幅降低电场的屏蔽作用，其结构容易被电子的浓度及电场影响。因此，二维拓扑材料可以让光操纵变成电控，应用于电子器件中。
在这项工作中，研究人员将只有3个原子层厚度的二碲化钨金属片，像纳米级厚薄的扑克牌般堆叠起来。他们在层叠的薄片中注入少量的载流子或施加纵向电场，让每一个奇数层，相对于其上下的偶数层产生横向滑移。从相应的光学和电学表征，团队观察到这种滑移是永久性的，直至另一次电激活引发金属层再次重新排列为止。
研究人员利用半金属材料内非常异常巨大的“贝里曲率”（Berry curvature），以读取存储在这些移动原子层之间的数据信息。这种量子特性就像一度磁场，可以引起材料中的电子定向偏移，再结合非线性霍尔输运效应，从而在不干扰堆叠的情况下读取原子层的排列。
半金属二碲化钨具有异常巨大的“贝利曲率”，而且不同堆叠方式具有非常不同的“贝利曲率”，利用这一量子特性可以很好区分不同堆叠以及金属极化态。这一发现，解决了铁电金属的实空间弱极性长期以来的读取困难问题。这使铁电金属不仅仅在基础物理探索上有趣，更证明这类材料可能具有相当于主流半导体和铁电绝缘体的应用前景。改变堆叠方式，只涉及范德华键的断裂， 因此能量消耗比传统相变材料共价键断裂重组所消耗的能量可低100余倍，这为研发更加节能的存储设备提供了新的平台，有助我们进发至一个持续发展和智能的未来。
参考文献：
【1】J. Xiao, Y. Wang, H. Wang, C. D. Pemmaraju, S. Wang, P. Muscher, E. J. Sie, C. M. Nyby, T. P. Devereaux, X. Qian, X. Zhang, & A. M. Lindenberg, "Berry curvature memory through electrically driven stacking transitions." Nature Physics, 2020.
【2】Y. Wang, J. Xiao, H. Zhu, Y. Li, Y. Alsaid, K. Y. Fong, Y. Zhou, S. Wang, W. Shi, Y. Wang, A. Zettl, E. J. Reed & X. Zhang, "Structural phase transition in monolayer MoTe2 driven by electrostatic doping." Nature, 550, 2017.
【3】Sie, E.J., Nyby, C.M., Pemmaraju, C.D. et al. "An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal. " Nature 565, (2019).
