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(shù)奇跡——可移動的、數(shù)據(jù)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(jù)表明氧氣空位是造成這種情況的原因，”內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校喬治霍姆斯大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)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(gòu)建、控制和解釋適合下一代電子產(chǎn)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(shù)數(shù)字數(shù)據(jù)寫入和讀取技術(shù)不同，這些技術(shù)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(shè)備存儲更多的數(shù)據(jù)。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(yīng)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(shè)備關(guān)閉，墻壁也可以保留他們的數(shù)據(jù)狀態(tài)——這是電子設(shè)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)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(nèi)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(shè)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(shù)據(jù)處理和存儲 - 已被證明很難找到，更不用說調(diào)節(jié)或創(chuàng)造了。但大約四年前，Tsymbal開始與新加坡國立大學(xué)的陳京生和中國浙江大學(xué)的何田交談。當時，田和一些同事正在開創(chuàng)一種技術(shù)，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(xué)。

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(chǎn)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(shù)據(jù)狀態(tài)。當電壓被撤回時，墻壁及其數(shù)據(jù)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(jīng)垂直于表面?zhèn)鞑?，但這個壁仍然是平行的。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(yīng)，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(shù)據(jù)狀態(tài)。

研究人員已經(jīng)確定了幾個W——什么、在哪里、什么時候——對于最終在電子設(shè)備中采用這種現(xiàn)象至關(guān)重要。但他們?nèi)匀蝗鄙僖粋€。碰巧的是，Tsymbal是少數(shù)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(shù)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(yīng)該阻止它穩(wěn)定和持續(xù)下去。然而，不知何故，它設(shè)法做到了這一點，似乎藐視凝聚態(tài)物理學(xué)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(shù)上有用的結(jié)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(yù)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(shè)備至關(guān)重要。

“從我的角度來看，這是最令人興奮的，”Tsymbal說，他在大學(xué)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(xué)聯(lián)系起來。我們有某種電化學(xué)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(shù)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(nèi)部的一些化學(xué)過程。