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某科學の超電報

不再只有0與1:台灣團隊發表新世代記憶體材料「鐵酸鉍」的光控技術

  • 新世代記憶體材料——鐵酸鉍 (BiFeO3)是以光照控制記憶體裡的資訊。

隨著資訊科技的快速進步,物聯網、雲端運算、人工智慧及大數據分析等智慧化與自動化的技術正蓬勃發展。然而,在資訊處理與運算等過程中,資料的儲存是相當重要的一個環節,若能掌握大容量、小型化、高速、節能且可靠的儲存技術,便能建立超高效能的計算平台,大量提升資料處理的效率。

國立成功大學物理系楊展其助理教授(愛因斯坦計畫主持人)與陳宜君教授所帶領的研究團隊,在新世代記憶體材料——鐵酸鉍 (BiFeO3)的操控方式上,有重大突破。

鐵酸鉍(BiFeO3)是在一個存儲單元中可同時具有高達八種邏輯狀態(0-7)的多位元記憶體材料,比起傳統只能存儲 0 與 1 的單位元記憶體,可大幅地提升儲存資訊的密度。

研究團隊成功地開發新穎光學技術,可進行非接觸性地特性控制。使用這類材料與相關光控技術,可以大幅縮小現有記憶體的體積,也能夠降低耗能。應用於人工智能發展與雲端運算,更可減少讀取資料的延遲時間,加速演算速度,可望在未來微縮化多功能奈米元件的趨勢中,帶來革命性的突破。相關研究成果已於 5 月 6 日刊載於國際頂尖期刊「自然材料」(Nature Materials)。

高達八種邏輯狀態的記憶材料

成大團隊所研究的多邏輯位元記憶材料,對下一世代記憶體提供了全新方案。

傳統硬碟與記憶體的基礎單位為0與1的組合,受於此限制,基礎記憶單元只能靠不斷縮小元件尺寸才能提高記憶體密度,在開發上始終會達到極限。探尋具有更強大多元的邏輯狀態記憶能力之材料,以及全新的存取技術,可說是未來資訊科技發展的關鍵。

可光控多位元的鐵酸鉍記憶體。圖/科技部提供

陳宜君教授指出,以磁性金屬薄膜為主材料的傳統硬碟為例,只具有一個鐵磁有序性,用以紀錄 0 與 1 的資訊,而多鐵性材料「鐵酸鉍」的記憶單元為材料內自發的電偶極矩與電子自旋排列方向,記憶單元理論上可達次奈米尺度,且可在同一點存在多個記憶狀態(同時包含電、磁與反鐵磁有序),組合上可一次紀錄八組資訊於單個儲存單元中。而相較於現今商用非揮發性記憶體仍有斷電長時間後會損失資料的問題,多鐵性材料的記憶狀態更加穩定。

關鍵的光控技術

成大團隊這次研究最重要的突破,在於賦予該材料全光控的優勢,由於光是交變的電磁波,因此在傳統經驗中,光無法對材料產生多組態的記憶調變。楊展其助理教授表示,

團隊所提出的關鍵光控技術,可利用光照產生的局部形變進而控制鐵酸鉍中的多位元記憶組態。

利用光學寫入技術的記憶體不需任何借助任何金屬電極與複雜的元件製程,充分體現「材料即元件」之構想,不只提升了資訊存儲效益,也為新世代記憶體開發帶來全新的思考方式,使得該材料可被直接導入如量子儲存,量子通訊等結合尖端光學技術的跨領域科技。

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