可编程的多量子态存储器及制备方法技术

本发明专利技术涉及存储器技术领域，具体地说，涉及一种可编程的多量子态存储器及制备方法，方法包括以下步骤：一、制备磁性拓扑绝缘体材料；二、对样品的性质进行表征；三、将生长的磁性拓扑绝缘体材料剥离至非导电的衬底上；四、制备出霍尔条构型的金属电极；五、点焊样品电极后，进行电学信号测量，同时通过变换磁场完成四个量子态的转变；本发明专利技术能提升存储密度，具有非易失和极低功耗的双重优点。易失和极低功耗的双重优点。易失和极低功耗的双重优点。

【技术实现步骤摘要】
可编程的多量子态存储器及制备方法


[0001]本专利技术涉及存储器
，具体地说，涉及一种可编程的多量子态存储器及制备方法。

技术介绍

[0002]传统的存储器是根据每个磁性存储单元的磁化强度的方向来定义二进制编码“0”或“1”。利用磁头这种电磁元件来进行数据的存储和读取。相应的计算机存储器可以分为内部存储器和外部存储器。内部存储器访问速率快，但是断电易丢失；外部存储器可以长期存储数据，但是访问速度慢，功耗也大。
[0003]随着量子科技的发展，人们开始在不断寻找基于量子材料的新型信息元器件。近年来，量子材料被得到了充分的研究，比如一些拓扑材料的拓扑保护特性使得基于拓扑材料的元器件将会具有极低的能耗，从而发热量大大减小；再比如量子材料中的量子态可以利用量子叠加原理带来指数级的算力和存储力的提升。因而，将量子材料中的各类量子性质应用到新型的元器件上，是科技的发展趋势。
[0004]近年来，随着人工智能和大数据的发展，大量的数据需要在本地存储和处理。为了支持大数据分析，当前存储器的存储带宽以及功耗都面临着巨大的挑战。而现在磁介质存储密度的提升已经开始逐年放缓。基于现有磁存储结构的磁盘设计遇到了新的困难。同时，大规模的数据交换，尤其是芯片与外部存储之间的频繁数据读取，大幅度增加了能耗。另一方面，数据的稳定保存不易丢失更是一直以来的基本诉求。而现在的内部存储器一旦遭遇断电，就会面临数据丢失，还无法做到和外部存储器一样即算即存。所以现有的技术急需解决存储密度低、断电易失、功耗巨大的问题。
专利技术内容
[0005]本专利技术的内容是提供一种可编程的多量子态存储器及制备方法，其能够克服现在的存储器面临的存储密度低、断电易失、功耗巨大的问题。
[0006]根据本专利技术的可编程的多量子态存储器的制备方法，其包括以下步骤：
[0007]一、生长制备磁性拓扑绝缘体材料，得到样品；
[0008]二、对样品的性质进行表征；
[0009]三、将生长的磁性拓扑绝缘体材料剥离至衬底上；
[0010]四、制备出金属电极；
[0011]五、点焊样品电极后，进行电学信号测量，同时通过变换磁场完成四个量子态的转变。
[0012]作为优选，磁性拓扑绝缘体材料为MnBi2Te4。
[0013]作为优选，磁性拓扑绝缘体材料MnBi2Te4单晶制备方法为：
[0014]a、将Mn粉、Bi粉和Te粉以1∶2∶4的摩尔比混合，将充分混合后的原材料放在刚玉坩埚中；
[0015]b、随后将刚玉坩埚真空封装在一个安瓿瓶中，真空度为1e
‑
5Torr；
[0016]c、将安瓿瓶置于一个高温炉中，以1K/min的速率升至950K，并在此温度下保持48h；
[0017]d、随后以0.1K/min的速率将温度降至900K，保持72h后再以0.1K/min的速率降至700K；在700K时保持超过一个星期的时间；
[0018]e、最后将安瓿瓶取出迅速淬水，使其迅速降温，剥离掉表面粗糙部分，里面即为MnBi2Te4单晶。
[0019]作为优选，样品的性质表征包括：
[0020](1)样品质量表征：通过透射电子显微镜可以表征样品生长的晶体质量；
[0021](2)样品的性能表征：通过降温曲线，表征出对应的奈尔温度在24K左右，同时能看到清晰的磁滞回线。
[0022]作为优选，步骤三中，通过Scotch胶带进行机械剥离，并将剥离后的磁性拓扑绝缘体材料薄层直接粘附到含有285nm SiO2的高掺硅衬底上，并移除胶带。
[0023]作为优选，步骤五中，通过稀释制冷机进行电学信号测量，电学信号测量时，稀释制冷机工作温度为10mK～300K，工作磁场为0T～14T。
[0024]作为优选，步骤五中，通过变换磁场完成四个量子态的转变，变换磁场是通过施加不同的磁场序列，具体为：
[0025]1)先施加磁场，再将磁场降到零场，此时对应的量子态为|0＞，以五星符号表示；
[0026]2)将磁场降到负磁场，再将磁场升到正磁场，此时将磁场降到零场，对应的量子态为|1＞，以三角符号表示，也即完成了从|0＞到|1＞的转换；
[0027]3)将磁场升到正磁场，然后将磁场降到负磁场，此时磁场降到零场，对应的量子态为|2＞，以圆形符号表示，也即完成了从|1＞到|2＞的转换；
[0028]4)将磁场降到负磁场，再将磁场降到零场，此时对应的量子态为|3＞，以菱形符号表示，也即完成了|2＞到|3＞的转换。
[0029]作为优选，步骤1)中，施加磁场的数值大于临界值μ0H
c2
；步骤2)中，负磁场数值小于临界值
‑
μ0H
c2
；正磁场数值大于临界值μ0H
c1
但是小于临界值μ0H
c2
；步骤3)中，正磁场数值大于临界值μ0H
c2
；负磁场数值在
‑
μ0H
c2
和
‑
μ0H
c1
之间；步骤4)中，负磁场数值小于临界值
‑
μ0H
c2
；
[0030]其中，μ0代表真空磁导率；H代表磁场强度；c代表临界。
[0031]本专利技术还提供了一种可编程的多量子态存储器，其采用上述的一种可编程的多量子态存储器的制备方法，存储器从下到上依次为：p型掺杂的硅片、285nm厚的SiO2层、磁性拓扑绝缘体材料、金属电极。
[0032]本专利技术通过制备基于拓扑保护的量子材料的新型量子元器件，实现4进制的多量子态存储器。该专利技术基于多量子态，因而最小单元的存储密度就提升了两倍，整体存储密度的提升将是指数级的；而基于量子材料的拓扑保护特性，则具有功耗极低而且断电之后数据不丢失的双重优点。
[0033]本专利技术利用了拓扑量子材料中的拓扑态的拓扑保护特性，通过不同量子态的相变来实现在四个量子态|0＞|1＞|2＞|3＞的切换。和传统的二进制不同，这种四进制的切换既能带来指数级的存储量的增长，同时量子态受拓扑保护，具有非易失和低功耗特性，应用
到随机存储器上也能克服目前随机存储器断电数据易丢失的问题，同时作为长期存储应用，不受环境干扰，具有更高的保真度，在未来的量子存储上具有光明的前景。
附图说明
[0034]图1为实施例1中一种可编程的多量子态存储器及制备方法的流程图；
[0035]图2为实施例1中多量子态存储器的原型器件图；
[0036]图3为实施例1中磁场调控下的霍尔电压V
xy
的变化示意图；
[0037]图4为实施例1中磁场的施加序列和霍尔电压信号切换的示意图。
具体实施方式
[0038]为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本专利技术进行解释而并非限定。
[0039]实施例1
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：一、生长制备磁性拓扑绝缘体材料，得到样品；二、对样品的性质进行表征；三、将生长的磁性拓扑绝缘体材料剥离至衬底上；四、制备出金属电极；五、点焊样品电极后，进行电学信号测量，同时通过变换磁场完成四个量子态的转变。2.根据权利要求1所述的可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：磁性拓扑绝缘体材料为MnBi2Te4。3.根据权利要求2所述的可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：磁性拓扑绝缘体材料MnBi2Te4单晶制备方法为：a、将Mn粉、Bi粉和Te粉以1∶2∶4的摩尔比混合，将充分混合后的原材料放在刚玉坩埚中；b、随后将刚玉坩埚真空封装在一个安瓿瓶中，真空度为1e
‑
5Torr；c、将安瓿瓶置于一个高温炉中，以1K/min的速率升至950K，并在此温度下保持48h；d、随后以0.1K/min的速率将温度降至900K，保持72h后再以0.1K/min的速率降至700K；在700K时保持超过一个星期的时间；e、最后将安瓿瓶取出迅速淬水，使其迅速降温，剥离掉表面粗糙部分，里面即为MnBi2Te4单晶。4.根据权利要求1所述的可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：样品的性质表征包括：(1)样品质量表征：通过透射电子显微镜可以表征样品生长的晶体质量；(2)样品的性能表征：通过降温曲线，表征出对应的奈尔温度在24K左右，同时能看到清晰的磁滞回线。5.根据权利要求1所述的可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：步骤三中，通过Scotch胶带进行机械剥离，并将剥离后的磁性拓扑绝缘体材料薄层直接粘附到含有285nm SiO2的高掺硅衬底上，并移除胶带。6.根据权利要求1所述的可编程的多量子态存储器的制备方法，其特征在于：步骤五中，通过稀释制冷机进行电学信号测量，电学信号测量时，稀释制冷机工作温度为10mK～300K，工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王硕，廖志敏，林本川，房景治，俞大鹏，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：