半导体情报，中国科学家首次提出噪声免疫的类脑计算新方案!

【科学背景】

量子霍尔效应的发现由德国科学家克劳斯·冯·克利钦于1980年提出，并因此在1985年获得诺贝尔物理学奖，标志着凝聚态物理学发展史上的重要里程碑。量子霍尔效应及其后续的拓扑量子物态，如量子反常霍尔效应、量子自旋霍尔效应和陈绝缘态等，因其拓扑保护的边界态传输特性，被认为有潜力成为低功耗量子电子器件的新型信息载体，能够克服传统电子器件在面对外界干扰时的问题。

然而，利用拓扑量子物态构建量子电子器件仍面临诸多挑战。其中包括如何实现选择性和准连续的量子态切换以及如何在器件中稳定实现多个量子态的共存和操作。为应对这些挑战，南京大学物理学院的梁世军和缪峰教授团队与南京理工大学的程斌教授合作，通过构建双侧对齐的魔角石墨烯器件，成功观测到了电子型铁电性与陈绝缘体的共存，并提出并验证了噪声免疫的类脑计算方案。

研究团队通过精确控制栅压脉冲的幅值，实现了在同一器件中1280个准连续的铁电态，进一步利用陈绝缘态的量子化电导作为权重，成功展示了铁电陈绝缘体器件在具有噪声免疫特性的卷积神经网络中的潜力。这些研究成果为基于拓扑边界态的新型低功耗电子器件的发展提供了实验验证，为未来量子电子技术的应用和进一步优化提供了有力支持。

【科学亮点】

（1）实验首次展示了拓扑Chern绝缘体器件中的选择性和准连续铁电切换，这是一项重要的创新。研究团队通过双侧对齐的魔角石墨烯器件构建，成功观测到了电子型铁电性与陈绝缘体的共存。

（2）实验通过精确控制栅压脉冲的幅值，实现了在有限磁场下，任意一对Chern绝缘态之间的选择性非易失切换。在同一器件中，团队成功实现了1280个准连续的铁电态，这为量子电子器件的多态性能提供了新的可能性。

（3）进一步的研究展示，利用陈绝缘态的量子化电导作为权重，首次在卷积神经网络中展示了铁电陈绝缘体器件的应用潜力。这一发现为开发具有噪声免疫特性的新型低功耗电子器件奠定了技术基础。

【科学图文】

图1：DA-MATBG器件的电学表征。

图2. 面内磁电耦合效应。

图3. 铁电陈绝缘体态和选择性开关。

图4. 准连续铁电开关。

图5：准连续铁电态的选择性开关与噪声免疫神经形态计算方案。

【科学结论】

本文的科学在于探索拓扑量子材料与铁电效应的结合，特别是在DA-MATBG材料中观测到的范德华界面铁电性与拓扑边缘态的共存。这不仅在量子材料研究中开辟了新的可能性，还首次展示了在莫尔异质结构中实现的正交磁电效应。通过精确控制栅压脉冲的幅度，研究团队实现了在有限磁场条件下Chern绝缘态的选择性和确定性切换，以及准连续的霍尔电阻水平。这种创新不仅为量子电子器件设计提供了新的思路，还在神经形态计算中展示了拓扑量子材料作为信息载体的潜力。尽管目前的设备需要外部磁场以破坏时间反演对称性，但这项研究的控制方法和噪声免疫神经网络的应用具有广泛的适用性，可以推广到其他Chern绝缘体系统，甚至是零场条件下的情况。未来的研究将集中于在无外部磁场的环境中实现拓扑量子材料的选择性铁电切换，这将为开发高容错性和低能耗的新型电子器件打开全新的可能性。

原文详情：Chen, M., Xie, Y., Cheng, B. et al. Selective and quasi-continuous switching of ferroelectric Chern insulator devices for neuromorphic computing. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01698-y