對于成年人大腦中所有無與倫比的、平行處理的、仍然無法區(qū)分的魔法魔法，它遵循與它控制的其他活組織相同的規(guī)則：氧氣是必須的。

因此，葉夫根尼·辛巴爾(Evgeny Tsymbal)帶著一絲諷刺意味地解釋了一個技術奇跡——可移動的、數據覆蓋的墻壁只有原子寬——最終可能會幫助計算機表現(xiàn)得更像大腦。

“有明確的證據表明氧氣空位是造成這種情況的原因，”內布拉斯加大學林肯分校喬治霍姆斯大學物理學和天文學教授Tsymbal說。

Tsymbal和一些Husker校友與中國和新加坡的同事合作，展示了如何構建、控制和解釋適合下一代電子產品的納米級薄材料的缺氧壁。該團隊在《自然》雜志上詳細介紹了其發(fā)現(xiàn)。

與大多數數字數據寫入和讀取技術不同，這些技術只說一和零的二進制，這些墻可以用幾種電子方言說話，可以讓容納它們的設備存儲更多的數據。就像大腦中的突觸一樣，通過壁發(fā)送的電尖峰的通過可能取決于以前通過的信號，使它們具有更類似于人類記憶的適應性和能源效率。就像大腦即使在用戶睡覺時也能保持記憶一樣，即使他們的設備關閉，墻壁也可以保留他們的數據狀態(tài)——這是電子設備的前身，它以燈光的速度和簡單性重新通電。

該團隊研究了一種名為鉍鐵氧體的納米材料中的屏障粉碎壁，這種材料可以切割成比人類頭發(fā)細數千倍的薄。鉍鐵氧體還具有一種罕見的鐵電性：只需施加一小撮電壓，在此過程中寫入 1 或 0，即可翻轉其正負電荷的極化或分離。與傳統(tǒng)的DRAM相反，動態(tài)隨機存取存儲器需要每隔幾毫秒刷新一次，即使電壓被移除，也會保持<>或<>，使其相當于DRAM所缺乏的長期存儲器。

通常，該偏振被讀取為一或零，并在稱為域的材料區(qū)域中翻轉以將其重寫為零或一。兩個相反的極化域相遇形成一堵墻，它只占據專用于域本身的空間的一小部分。這些壁的幾個原子厚度，以及有時出現(xiàn)在它們內部或周圍的不尋常特性，使它們成為尋找新方法將越來越多的功能和存儲壓縮到縮小的設備中的主要嫌疑人。

盡管如此，平行于鐵電材料表面的壁 - 并且凈電荷可用于數據處理和存儲 - 已被證明很難找到，更不用說調節(jié)或創(chuàng)造了。但大約四年前，Tsymbal開始與新加坡國立大學的陳京生和中國浙江大學的何田交談。當時，田和一些同事正在開創(chuàng)一種技術，使他們能夠在原子尺度上施加電壓，即使他們實時記錄逐個原子的位移和動力學。

最終，研究小組發(fā)現(xiàn)，僅對鉍鐵氧體薄膜施加1.5伏特會產生與材料表面平行的疇壁 - 具有特定的電阻，其值可以讀取為數據狀態(tài)。當電壓被撤回時，墻壁及其數據狀態(tài)仍然存在。

當團隊提高電壓時，疇壁開始向下遷移材料，這是其他鐵電體中的行為。雖然其他材料的壁已經垂直于表面?zhèn)鞑ィ@個壁仍然是平行的。與它的任何前輩不同，這堵墻采用了冰川的速度，一次只遷移一個原子層。反過來，它的位置與其電阻的變化相對應，電阻在8伏和10伏之間的三個不同的步驟中下降 - 三種更易讀的數據狀態(tài)。

研究人員已經確定了幾個W——什么、在哪里、什么時候——對于最終在電子設備中采用這種現(xiàn)象至關重要。但他們仍然缺少一個。碰巧的是，Tsymbal是少數有資格解決這個問題的人之一。

“有一個謎題，”Tsymbal說。“為什么會這樣?這就是理論的幫助所在。

大多數疇壁是電中性的，既不帶正電荷也不帶負電荷。這是有充分理由的：中性墻幾乎不需要能量來維持其電氣狀態(tài)，有效地使其成為默認狀態(tài)。相比之下，該團隊在超薄鉍鐵氧體中發(fā)現(xiàn)的疇壁具有大量電荷。而Tsymbal知道，這應該阻止它穩(wěn)定和持續(xù)下去。然而，不知何故，它設法做到了這一點，似乎藐視凝聚態(tài)物理學的規(guī)則。

必須有一個解釋。在他之前的研究中，Tsymbal及其同事發(fā)現(xiàn)帶負電荷的氧原子的離開，以及它們留下的帶正電荷的空位，可能會阻礙技術上有用的結果。這一次，Tsymbal的理論支持的計算表明了相反的情況 - 帶正電荷的空位正在補償在墻上積累的其他負電荷，在這個過程中基本上加強了它。

該團隊的實驗測量后來表明，材料中電荷的分布幾乎與疇壁的位置完全一致，與計算預測的完全一致。Tsymbal說，如果氧氣空位出現(xiàn)在其他鐵電游樂場，它們對于更好地理解和工程包含珍貴材料的設備至關重要。

“從我的角度來看，這是最令人興奮的，”Tsymbal說，他在大學以量子為重點的EQUTE項目的支持下進行了這項研究。“這將鐵電性與電化學聯(lián)系起來。我們有某種電化學過程 - 即氧空位的運動 - 基本上控制這些疇壁的運動。

“我認為這種機制非常重要，因為大多數人 - 包括我們，理論上 - 正在研究原始材料，極化上下切換，并研究電阻會發(fā)生什么。對這種行為的所有實驗解釋都是基于這張簡單的兩極分化圖。但在這里，這不僅僅是兩極分化。它涉及內部的一些化學過程。

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