原子薄的墙壁可以打破下一代设备中的尺寸和内存障碍

对于成年人大脑中所有无与伦比的、平行处理的、仍然无法区分的魔法魔法，它遵循与它控制的其他活组织相同的规则：氧气是必须的。

因此，叶夫根尼·辛巴尔(Evgeny Tsymbal)带着一丝讽刺意味地解释了一个技术奇迹——可移动的、数据覆盖的墙壁只有原子宽——最终可能会帮助计算机表现得更像大脑。

“有明确的证据表明氧气空位是造成这种情况的原因，”内布拉斯加大学林肯分校乔治霍姆斯大学物理学和天文学教授Tsymbal说。

Tsymbal和一些Husker校友与中国和新加坡的同事合作，展示了如何构建、控制和解释适合下一代电子产品的纳米级薄材料的缺氧壁。该团队在《自然》杂志上详细介绍了其发现。

与大多数数字数据写入和读取技术不同，这些技术只说一和零的二进制，这些墙可以用几种电子方言说话，可以让容纳它们的设备存储更多的数据。就像大脑中的突触一样，通过壁发送的电尖峰的通过可能取决于以前通过的信号，使它们具有更类似于人类记忆的适应性和能源效率。就像大脑即使在用户睡觉时也能保持记忆一样，即使他们的设备关闭，墙壁也可以保留他们的数据状态——这是电子设备的前身，它以灯光的速度和简单性重新通电。

该团队研究了一种名为铋铁氧体的纳米材料中的屏障粉碎壁，这种材料可以切割成比人类头发细数千倍的薄。铋铁氧体还具有一种罕见的铁电性：只需施加一小撮电压，在此过程中写入 1 或 0，即可翻转其正负电荷的极化或分离。与传统的DRAM相反，动态随机存取存储器需要每隔几毫秒刷新一次，即使电压被移除，也会保持<>或<>，使其相当于DRAM所缺乏的长期存储器。

通常，该偏振被读取为一或零，并在称为域的材料区域中翻转以将其重写为零或一。两个相反的极化域相遇形成一堵墙，它只占据专用于域本身的空间的一小部分。这些壁的几个原子厚度，以及有时出现在它们内部或周围的不寻常特性，使它们成为寻找新方法将越来越多的功能和存储压缩到缩小的设备中的主要嫌疑人。

尽管如此，平行于铁电材料表面的壁 - 并且净电荷可用于数据处理和存储 - 已被证明很难找到，更不用说调节或创造了。但大约四年前，Tsymbal开始与新加坡国立大学的陈京生和中国浙江大学的何田交谈。当时，田和一些同事正在开创一种技术，使他们能够在原子尺度上施加电压，即使他们实时记录逐个原子的位移和动力学。

最终，研究小组发现，仅对铋铁氧体薄膜施加1.5伏特会产生与材料表面平行的畴壁 - 具有特定的电阻，其值可以读取为数据状态。当电压被撤回时，墙壁及其数据状态仍然存在。

当团队提高电压时，畴壁开始向下迁移材料，这是其他铁电体中的行为。虽然其他材料的壁已经垂直于表面传播，但这个壁仍然是平行的。与它的任何前辈不同，这堵墙采用了冰川的速度，一次只迁移一个原子层。反过来，它的位置与其电阻的变化相对应，电阻在8伏和10伏之间的三个不同的步骤中下降 - 三种更易读的数据状态。

研究人员已经确定了几个W——什么、在哪里、什么时候——对于最终在电子设备中采用这种现象至关重要。但他们仍然缺少一个。碰巧的是，Tsymbal是少数有资格解决这个问题的人之一。

“有一个谜题，”Tsymbal说。“为什么会这样?这就是理论的帮助所在。

大多数畴壁是电中性的，既不带正电荷也不带负电荷。这是有充分理由的：中性墙几乎不需要能量来维持其电气状态，有效地使其成为默认状态。相比之下，该团队在超薄铋铁氧体中发现的畴壁具有大量电荷。而Tsymbal知道，这应该阻止它稳定和持续下去。然而，不知何故，它设法做到了这一点，似乎藐视凝聚态物理学的规则。

必须有一个解释。在他之前的研究中，Tsymbal及其同事发现带负电荷的氧原子的离开，以及它们留下的带正电荷的空位，可能会阻碍技术上有用的结果。这一次，Tsymbal的理论支持的计算表明了相反的情况 - 带正电荷的空位正在补偿在墙上积累的其他负电荷，在这个过程中基本上加强了它。

该团队的实验测量后来表明，材料中电荷的分布几乎与畴壁的位置完全一致，与计算预测的完全一致。Tsymbal说，如果氧气空位出现在其他铁电游乐场，它们对于更好地理解和工程包含珍贵材料的设备至关重要。

“从我的角度来看，这是最令人兴奋的，”Tsymbal说，他在大学以量子为重点的EQUTE项目的支持下进行了这项研究。“这将铁电性与电化学联系起来。我们有某种电化学过程 - 即氧空位的运动 - 基本上控制这些畴壁的运动。

“我认为这种机制非常重要，因为大多数人 - 包括我们，理论上 - 正在研究原始材料，极化上下切换，并研究电阻会发生什么。对这种行为的所有实验解释都是基于这张简单的两极分化图。但在这里，这不仅仅是两极分化。它涉及内部的一些化学过程。

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