复旦周鹏团队连发Nature/Science，为中国芯未来画出新赛道

发布日期：2026-08-06

“破晓”寻光 · “归壹”见微

导语： “破晓”——400皮秒写入，闪存“跑”进亚纳秒时代；“归壹”——室温单电子存储，触达理论极限。复旦周鹏-刘春森团队两篇高水平成果，用二维材料重写定义存储芯片的底层逻辑，证明了非易失存储不仅能跑得比“临时记忆”更快，还能做到“一个电子就是1比特”的终极密度。Lake Shore低温探针台以其稳定的低噪真空环境、超低振动（<30nm）与宽温区（1.6K-675K）特性，成为连接二维材料量子行为与宏观芯片性能的 “量子观测室”，见证了这些划时代突破的发现。

每秒25亿次操作，快过SRAM! 复旦“破晓”闪存登Nature，改写非易失存储速度定义

手机跑大模型发烫、AI算力卡在“内存墙”——问题的根源，在于存储与计算的速度鸿沟。主流非易失闪存（NAND）速度在微秒级，而CPU每秒处理数十亿次运算，数据在两者间反复搬运，耗能巨大，延迟难消。

2025年4月，复旦大学周鹏-刘春森团队在《Nature》杂志发表成果，给出了一份颠覆性答卷。他们利用二维材料石墨烯的原子级薄层特性，发现了“沟道厚度调制的水平电场分布效应”，提出“二维增强热载流子注入（2D-HCI）”机制，将非易失闪存的编程速度推至400皮秒（ps）——即每秒可执行25亿次操作。

这一速度不仅比传统闪存快了数个数量级，更超越同技术节点下最快的易失性静态随机存储器（SRAM，约1ns）。这意味着，非易失存储第一次在速度上比肩甚至超越了“临时记忆”DRAM/SRAM，计算与存储的边界被彻底模糊。

该器件被命名为“破晓”——寓意打破速度的“天花板”，迎来存储技术的新黎明。

图1. 狄拉克晶体管，电子无需助跑就可以直接提速至高速，而且可以无限注入，不再受注入极值点的限制，可实现400ps的亚纳秒级闪存的存储性能。为实现低于1ns的测量精度，GSG射频探针被采用，其中信号连接至栅极和漏极端口，而接地则连接至源极端口。

触达理论极限！复旦“量子闪存”登Science，室温下，一个电子就是1比特

如果说“破晓”解决了“快”的问题，那么2026年7月17日凌晨发表在《Science》的“归壹”，则回答了“小”的极限。

信息存储的终极目标，是用最少量的粒子来表征尽可能多的信息。电子作为不可分割的基本粒子，其最小单位是单个电子——“一个电子存一比特”被视为存储密度的理论极限。然而，室温下稳定观测单电子存储，长期被视为“理论上可行、实验中无法观测”的“圣杯”。核心难点在于：器件尺寸缩小会放大寄生边缘电容，使单电子引起的阈值电压变化被噪声淹没。

复旦大学团队从量子力学基本原理出发，利用二维材料原子级厚度的天然优势，创新性地提出自对准平面裁剪方案，构建了共面漏极-沟道-源极“归壹”结构，有效抑制了边缘电容。他们首次在室温（27℃）下清晰观测到：仅需注入或移除单个电子，即可产生0.5伏特的非易失性存储窗口，相较于此前报道放大了近一个数量级。

图2. 室温二维单电子存储器件特性。共面漏极-沟道-源极（DCS）器件，单电子在室温可实现0.5V的单电子台阶，并具有稳健性和非易失性。

更令人惊叹的是，团队创新性地提出“态密度剪刀（DOS-scissors）”理论，并实验验证了一种前所未有的量子现象——利用石墨烯在特定能量区域的零态密度特性，可以像剪刀一样将特定的量子态精准“裁剪”，使其凭空消失。这标志着人类不仅能被动观测单电子，更能主动操控其量子态，为下一代量子存储与存内计算开辟了全新路径。

“双剑合璧”：从速度到密度，重构芯片架构的底层逻辑

“破晓”与“归壹”，构成了一幅完整的未来存储蓝图：

两者结合，意味着未来的芯片有望同时拥有SRAM级的速度与NAND级的非易失密度，且功耗可降低数个数量级。传统冯·诺依曼架构中“计算-存储分离”的基石正在被动摇，存内计算与近零功耗存储从理论走向工程不再是空中楼阁。

值得强调的是，这不是孤立的两次突破。团队此前还通过“原子器件到芯片（ATOM2CHIP）”系统集成技术，研制出首颗二维-硅基混合架构闪存芯片“长缨（CY-01）”，入选2025年度“中国科学十大进展”。从“破晓”的速度机制，到“长缨”的芯片集成，再到“归壹”的终极密度，形成了从物理机制→器件工艺→芯片系统→理论极限的完整技术链条。

图3：全功能二维半导体/硅基混合架构异质集成闪存芯片“长缨（CY-01）”

Lake Shore低温探针台：为“破晓”与“归壹”提供“量子观测室”

从400皮秒的瞬态信号，到单电子隧穿的微弱变化，Lake Shore低温探针台贯穿了两项突破的验证全程，成为连接二维材料量子行为与宏观芯片性能的“精密观察室”。

• 在“破晓”中：验证400皮秒写入需要捕捉热载流子的极端动力学行为。Lake Shore低温探针台凭借兼容GSG高频微波探针的能力和稳定的低噪真空环境（<10⁻⁴ mbar），确保了亚纳秒级脉冲信号的无失真施加与采集，成功捕捉到二维材料中热载流子的亚纳秒超快注入行为。

• 在“归壹”中：室温下分辨单电子引起的0.5V阈值漂移，对环境噪声和振动的抑制要求极高。Lake Shore低温探针台提供<30nm级的超低振动和±50 mK的温控精度，为识别离散的量子隧穿事件创造了极致稳定的“静室”，使“一个电子撬动0.5V”这一量子行为在室温下无所遁形。

精准的低温电学测量是揭示二维材料新奇物理效应的前提。Lake Shore低温探针台凭借其在低温、高真空、低噪声及高频测试方面的综合优势，已成为全球顶尖纳米电子学研究不可或缺的优选平台。

图4. Lake Shore探针台CRX-VF

作为低温测量技术的领导者，Lake Shore始终致力于为科研与工业界提供高性能测试解决方案。其探针台产品以超卓的温控精度和模块化设计，助力前沿材料与器件研究。

应用前景包括但不限于：

1.  前沿材料研究

• 量子材料：超导体、拓扑绝缘体的低温输运特性。

• 二维材料：石墨烯、过渡金属硫族化合物的电学和光学表征。

• 有机电子学：柔性器件在可控环境下的稳定性测试。

2. 半导体工业

• 先进制程开发：3nm以下节点的晶圆级参数测试（如FinFET漏电流分析）。

• 宽禁带半导体：GaN、SiC器件的高温/高场可靠性验证。

• 更高频率与集成度：扩展至THz波段，兼容量子计算芯片的微波读出

3. 光电子与微波器件

• 太赫兹器件：片上探针支持67 GHz高频测量。

• 光电探测器：结合光纤探针实现光电流谱分析。

4. 定制化解决方案

• 特殊配置案例：如集成光谱仪（与CRAIC合作）或真空互联沉积系统，满足多步骤实验需求。

结语：从“归壹”出发，中国芯的下一个十年

当“破晓”的速度遇上“归壹”的密度，当非易失存储同时获得SRAM级速度与原子级能效，传统芯片的“内存墙”正在从根基上瓦解。从实验室的原创突破到产业化的加速推进，从二维材料的量子操控到芯片架构的系统重构，中国团队正站在一个崭新芯片时代的起点。

这个时代的核心命题，已从“如何搬动更多数据”，变成“如何更本质地操控信息的最小单元——电子”。

“归壹”，既是终点，也是起点。

参考文献：

[1]. Chunsen Liu et al. Robust single-electron memory with quantum states manipulation. Science 393,294-299(2026).

[2]. Xiang, Y., Wang, C., Liu, C. et al. Subnanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot-carrier injection. Nature 641, 90–97 (2025). 

[3]. Liu, C., Jiang, Y., Shen, B. et al. A full-featured 2D flash chip enabled by system integration. Nature 646, 1081–1088 (2025).