在对节能计算的不断追求中，加州大学圣巴巴拉分校设计的新设备有望增强信息处理和数据存储。
电气和计算机工程教授Kaustav Banerjee实验室的研究人员在Advanced Materials杂志上发表了一篇新论文，描述了其中几种设备，“基于2D材料的量子工程设备，用于下一代信息处理和存储”。最近获得博士学位的Arnab Pal是主要作者。
每个设备都旨在以新的方式解决与传统计算相关的挑战。这四种器件均在非常低的电压下工作，具有低泄漏特性，这与智能手机中常见的传统金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相反，即使关闭也会耗尽功率。但由于它们基于类似于制造MOSFET的加工步骤，因此可以使用现有的半导体行业标准制造工艺大规模生产新器件。
根据Banerjee的说法，这两种信息处理设备中最有前途的是基于自旋的场效应晶体管或自旋FET，它利用为设备供电的电子的磁矩或自旋。在这种情况下，材料属于过渡金属硫族化合物，其基于过渡金属。
与自旋场效应管不同，基于电荷的场效应晶体管(TFET)利用电子的量子力学性质来工作。由于一种称为波函数穿透的现象，电子能够穿过薄的电屏障，而不是像传统晶体管那样流过它。TFET还可以在较低的电压下工作，消耗更少的功率并产生更少的热量。由2D材料制成的TFET性能更好，因为它们具有更薄且更可控的电子隧道屏障，这既增强了电子流动，又使设备能够以更高的精度运行。
为了安全地存储数据，必须对设备的硬盘驱动器进行编程，以便在电源关闭时也能保持存储。为了使用普通的MOSFET来做到这一点，Pal说：“你有源(电子)和漏极(收集电子的地方)，然后是它们之间的通道，它控制着这些载流子的流动。通道要么充当屏障，使电子不能穿过 - 关闭状态 - 要么非常导电，以便它们可以穿过，即开启状态。为了在普通的n型器件中产生流动，需要施加正栅极偏置(电压)，该偏置通过通道吸引来自源头的带负电荷的电子。
同时，基于电荷的浮栅场效应晶体管(FG-FET)信息存储设备的工作原理类似于MOSFET，但它不是只有一个栅极，而是有两个。额外的电极称为浮动栅极。当MOSFET未编程时，浮动栅极上没有额外的电荷。然而，在任何编程操作过程中，栅极处都会施加非常强的电压，导致许多载流子(电子)从通道中拉出并沉积在那里，在那里它们被捕获。 这种累积的负栅极电荷使得难以打开器件，从而将其编程为关闭。
据研究人员称，这种方法存在挑战。帕尔说，其中之一是“向浮门拉动大量电荷，这需要很大的功率。此外，Banerjee补充说：“为了让这些电子到达浮栅对设备进行编程，它们必须穿过介电层。一旦到达那里，它们也可能泄漏回来，造成电荷保留问题。
使用2D材料构建的一系列基于电荷和非基于电荷的设备可以实现下一代信息处理和存储技术。
另一个问题是，如果许多FG-FET靠近放置在一起，Pal说，“我们希望在芯片上放置尽可能多的FG-FET，例如，增加拇指驱动器的容量”，设备上存储的电荷相互作用，影响相邻设备。使用超薄2D材料可以最大限度地减少这种相互作用，同时增加对单个设备的控制，从而即使在更多设备更密集地集中在芯片上时也能提供高性能。
另一种信息存储方法是通过使用磁隧道结(MTJ)，它利用电子自旋来存储数据。MTJ 由两个由薄绝缘层隔开的磁性层组成;各层磁矩的相对方向决定了器件的电阻。然而，与FG-FET类似，MTJ面临着与功耗、稳定性和可扩展性相关的挑战。同样，超薄2D材料通过减少相邻MTJ之间的相互作用提供了一种潜在的解决方案，从而实现高效，高密度的数据存储。
虽然基于2D材料的设备可以在能源和面积效率方面比传统材料制成的设备有所改善，但只有通过改变计算架构才能实现非凡的改进。进入被称为量子计算的激进新架构。基于量子比特(称为量子比特)的量子叠加，量子计算生成并行计算，从而在所选计算任务的速度和效率方面产生巨大的性能提升。
2D材料独特的结构和电磁特性使更传统的基于电荷的量子比特能够提高效率，也可以有效地设计其他几种较新的量子比特，称为自旋，谷和自旋谷量子比特。
在自旋量子比特中，状态(开/关)的属性由量子比特的电子自旋或量子态定义，量子比特总是向上自旋或向下自旋。通过翻转自旋来更改状态，从上到下，反之亦然，以更改量子比特的状态并支持量子比特操作。
山谷量子比特的操作略有不同。它的状态是由电子的动量决定的，而不是它的自旋。电子动量的变化转化为量子比特状态的变化，有助于实现量子比特操作。
最后，2D材料的特性也有助于实现第三种量子比特，即自旋谷量子比特，其状态由电子的动量和自旋定义。由于自旋谷量子比特耦合了这两个自由度，因此假定它们对退相干更具弹性，从而允许在量子纠缠丢失之前执行更长和更复杂的量子计算。
“由2D材料的独特特性实现的新兴设备提供了节能高性能计算和存储的承诺，”Pal说，“实现了超越摩尔的集成，并引发了对固态物理学及其应用的新探索。
标签：
免责声明：本文由用户上传，如有侵权请联系删除！