一种新型存储器件有望彻底解决电子设备的过热和电池耗电问题。通过将组件缩小至极小尺度并重新设计其结构，研究人员找到了一种能够减少而非增加能量损耗的方法。最终诞生的微型存储单元具有尺寸越小性能越优的特点——这曾被视为不可能实现。这一成果有望为超高效智能手机、可穿戴设备及人工智能系统的发展铺平道路。
在最基本的层面上，计算机内存通过控制电流通过材料的难易程度，以0和1的形式存储信息。如果科学家能设计出耗电量低得多的内存，就能大幅降低手机、计算机和其他电子设备的能源需求。
低功耗内存的新途径
旨在解决这一问题的一个构想可追溯到1971年，当时研究人员提出了铁电隧道结（FTJ）。这种类型的内存依赖于铁电性，即一种材料的内部电极化可以被翻转的特性。当这种极化发生改变时，会影响电流流动的难易程度，从而使设备能够存储数据。
尽管前景广阔，但用于此类内存的传统材料在设备尺寸缩小时面临困境。随着元件变得更小，性能往往会下降，从而限制了这项技术的发展上限。
氧化铪助力超小型内存
2011年取得了一项关键进展，科学家发现氧化铪（一种广泛使用的材料）即使在极薄的状态下也能保持其电极化。基于这一发现，东京科学大学（Science Tokyo）的真锅育也（Yutaka Majima）教授及其团队着手开发一种极小的内存器件，尺寸仅为25纳米，大约是头发丝直径的三千分之一。
解决纳米尺度的泄漏问题
将内存缩小到这一尺度带来了一个重大挑战。电流倾向于通过材料中微小晶体之间的边界泄漏，这长期以来阻碍了进一步的微型化。
研究人员没有试图回避这个问题，而是采取了一种不同的方法。他们进一步缩小了器件尺寸，从而降低了这些晶体边界的影响。
他们还开发了一种新的制造方法，通过加热电极使其自然形成半圆形。这种设计创造出一种更接近单晶的结构，意味着发生泄漏的边界更少。
越小越好的突破
通过将这种结构设计与极端微型化相结合，团队在其器件中实现了高性能。更重要的是，他们证明了一个意想不到的结果。这种内存实际上在尺寸变小时性能反而更好，推翻了电子学领域长期以来的一个假设。
这对未来设备意味着什么
如果这项技术投入实际应用，可能会产生深远的影响。智能手表等设备单次充电可运行数月，联网传感器网络可能无需频繁更换电池即可运行。
在人工智能（AI）领域，这种类型的存储器可以在大幅降低能耗的同时支持更快的处理速度。由于氧化铪已经与现有的半导体制造工艺兼容，将这种新型存储器集成到日常电子产品中可能会相对较快地实现。 研究人员评论 挑战那些看似存在的科学极限——例如“我们无法把东西做得更小”或“如果这样做它们就会损坏”——就像在黑暗中摸索前行。这是一个持续奋斗的过程。然而，通过质疑传统假设并探索克服这些障碍的新方法，我们得以发现一个全新的视角。如果这一成就能激发那些将塑造未来的年轻人的好奇心，并有助于建设一个更美好的世界，我将感到非常高兴。—— 东京科学大学综合研究院材料与结构研究所教授 真岛丰