美国华盛顿大学：原子级厚度的磁存储器将提高存储密度并降低能耗

导读

近日，美国华盛顿大学领导的科研团队进一步推进了磁性材料方面的研究，他们采用只有几个原子层厚度的磁体编码信息。这项突破将通往更高密度的数据存储并且提高能量效率，从而革新计算技术和消费电子设备。

背景

磁性材料，是硬盘存储器等现代数字信息技术的重要基础。之前，笔者曾经介绍过许多有关磁性材料的创新成果，接下来先带大家回顾一下：

第一，日本北海道大学的科学家开发出一种可快速安全地在磁性和非磁性信号之间切换的存储材料，它将使得固态硬盘和USB闪存驱动器等传统存储器件的存储容量翻倍。

（图片来源: 日本北海道大学）

第二，德国美因茨大学的物理学家在反铁磁体中读出和写入数字信息，未来有望带来稳定的超快速磁存储器。

（图片来源：参考资料【2】）

第三，美国明尼苏达大学研究人员研究出一种涉及磁阻效应的新型拓扑绝缘体，未来它将改善计算与存储。

（图片来源： 明尼苏达大学）

第四，新加坡国立大学研究团队成功地将磁存储芯片嵌入到塑料材料中，在柔性材料上制造出存储芯片。这项研究中的存储芯片就是基于磁阻随机存取存储器 （MRAM），采用氧化镁（MgO）的磁隧道结来存储数据。

（图片来源: 新加坡国立大学）

第五，日本东北大学研究人员通过最新计算机仿真模型研究得出：使用超高速激光脉冲，激发磁性材料中的电子，使之切换到瞬态无磁性状态，可以减少操控材料磁性的时间，改善磁存储和信息处理技术。

（图片来源：Sumio Ishihara）

创新

目前，美国华盛顿大学领导的科研团队正进一步推进磁性材料方面的研究，他们采用仅有几个原子层厚度的磁体来编码信息。这项突破性研究将通往更高密度的数据存储，并提高能量效率，从而革新计算技术和消费电子设备。

在一篇在线发表于5月3日的《科学（Science）》杂志的论文中，研究人员报告了他们采用超薄材料进行层叠，基于电子的自旋方向（在那里，电子的“自旋”类似于微型亚原子磁体），史无前例地控制电子流动。他们采用了包括三碘化铬（CrI3）在内的材料，CrI3 材料于2017年被描述为首个二维磁性绝缘体。四层薄片（每层仅有一个原子厚度）创造出了迄今为止最薄的系统，可基于电子自旋阻止电子流动，并且比其他方法产生的控制力强大10倍。

下图是三碘化铬（CrI3）晶体结构的示意图，铬原子以紫色显示，而碘原子以黄色显示。黑色箭头代表电子“自旋”，它类似于微小的条形磁铁。

（图片来源：Tiancheng Song）

技术

4月23日发表于《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》杂志的相关论文中，团队探索出通过电气方式控制这种原子级厚度的磁体的磁性的方法。

论文通讯作者、华盛顿大学物理和材料科学与工程专业教授、华盛顿大学清洁能源研究所研究员 Xiaodong Xu 表示：“随着信息爆炸性地增长，如何提高数据存储密度并降低操作能耗，显得颇具挑战性。将所有的研究工作结合起来，有望设计出原子级厚度的磁性存储器，比现有技术的能耗低几个数量级。”

这篇发表于《科学》杂志的论文也研究了，如何利用这种材料带来能在每个单独薄片利用电子自旋的新型存储器。

研究人员用两层CrI3，如同三明治一般被两层石墨烯导电薄片夹住，根据每层CrI3 之间电子自旋的对齐方式，在两层石墨烯薄片之间，电子可以畅通无阻地流动或者大部分被阻止。这两种配置可以作为比特位（日常计算中使用的二进制0和1）来编码信息。

（图片来源：Tiancheng Song）

论文合作领导作者之一、华盛顿大学物理系的博士后研究员 Xinghan Cai 表示：“这种存储器的功能单元是磁隧道结（MTJ）。它是一种具有磁性的‘门’，基于隧道结中的电子自旋对齐方式，允许或阻止电子流过。这种门是实现小型数据存储器的关键。”

通过多达四层的CrI3，团队发现“多比特”信息存储的潜力。在两层CrI3中，每层之间的电子自旋可能朝着相同方向或相反方向对齐，导致流过磁性门的电子比率不同。然而有了三层和四层，每层之间的电子自旋有了更多的组合，从而为流过磁性材料从一个石墨烯薄片到另一个石墨烯薄片的电子带来多种不同的比率。

华盛顿大学物理系博士生、论文合著者 Bevin Huang 表示：“你的电脑可以有 A、B、 C甚至D及更多的选择，而不是只有两种方法存储一段数据。所以，采用CrI3 隧道结不仅更加高效，而且从本质上讲也可以存储更多数据。”

价值

华盛顿大学物理系博士生、论文合作领导作者之一 Tiancheng Song 表示：“我们的研究表明，基于磁性技术的信息存储有望发展到原子级厚度。”

研究人员的材料和方法，相比现有技术有显著提升。在相同的操作条件下，氧化镁材料更厚，阻止电子流动的效果更差，缺少多比特信息存储的选项。

Xu 表示：“尽管目前我们的器件需要适度的磁场，且只能在低温下操作，无法适用于现有技术，但是设备的设计理念和工作原理是全新且突破性的。我们希望通过开发电气控制机制和一些新功能，让这些隧道结能在高温条件下，需要较少的磁场甚至完全无需磁场就可以正常工作。这将为新型存储技术带来巨大的改变。”

关键字

磁、存储、自旋、电子

参考资料

【1】http://www.washington.edu/news/2018/05/03/atomically-thin-magnetic-device-could-lead-to-new-memory-technologies/

【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【3】Tiancheng Song, Xinghan Cai, Matisse Wei-Yuan Tu, Xiaoou Zhang, Bevin Huang, Nathan P. Wilson, Kyle L. Seyler, Lin Zhu, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael A. McGuire, David H. Cobden, Di Xiao, Wang Yao, Xiaodong Xu. Giant tunneling magnetoresistance in spin-filter van der Waals heterostructures. Science, 2018; eaar4851 DOI: 10.1126/science.aar4851