Science最新成果:單鈥（Ho）原子可作為穩定磁存儲器

科技 04-20

【摘要】

荷蘭奈梅亨大學和美國IBM 阿爾馬登研究中心的科學家最近在Science發文，針對使用單原子磁鐵時保持磁性這一固有難題，總結得出單一鈥（Ho）原子具有剩磁性，溫度上限可達40 K，且大小和穩定性遠高於原子尺度為3-12個磁鐵原子的現有記錄。並指出單原子磁鐵集合能夠用作未來的存儲設備，在工程上也可以為旋轉磁場中心的磁力耦合器提供一個適宜的路徑。

【解讀】

單原子磁鐵集合存儲信息是數據存儲技術小型化的核心，每一個原子由兩個方向可存儲少量信息。然而，剩磁很難在單原子中實現，因為要削弱外界環境波動的影響，將不可避免地破壞磁性區，使磁性存儲器信息被擦除。最近研究者們試圖在單原子中找到剩磁，結果卻與磁性基態矛盾。因此，到目前為止，給單原子磁鐵的性能定義仍是一個懸而未決的問題。

【研究內容】

Science最新成果:單鈥（Ho）原子可作為穩定磁存儲器

圖為單原子存儲器:（A）磁矩方向代表0或1狀態（B）磁各向異性MAE原理.

在單原子磁鐵中，每個原子有兩個不同的磁矩，可以存儲少量信息（用0或1狀態表示）。如圖（A）所示，Ho原子在MgO上存在兩種磁矩，用顏色加以區分，其中藍色代表狀態「1」，紅色代表狀態「0」。若沒有外界磁場時，在有效的時間和溫度下，將信息保存在一個很小的區域，這對我們來說異常艱難。想要將原子吸附在單層表面就需要剩磁，克服很大的勢壘，必須使兩種不同的磁性基態分離，才能實現這一想法。

如圖（B）所示，磁各向異性（MAE）表明Co原子吸附在大塊的Pt表面，在與MAE相適的溫度下，磁矩應該「凍結」在勢壘的一側。利用X射線吸收譜（XAS）和掃面隧道顯微鏡（SEM）發現，可在充分低溫環境下實現剩磁。此時Co原子的磁各向異性已經接近理論極限，由於單原子自旋量子特性，使得觀察單原子磁鐵的剩磁現象仍然變得不可捉摸。

Science最新成果:單鈥（Ho）原子可作為穩定磁存儲器

在兩重和四重對稱環境下，單原子的磁各向異性代表著能量勢壘。對兩重對稱環境來講，單電子通過越過勢壘，使得磁性狀態發生反轉，即由「0」變為「1」，如圖（B）左側原理所示。然而，在四重對稱環境下，由於單個原子周圍有兩個或更多的原子需要吸收能量，越過能量勢壘，抑制了磁性狀態反轉的發生，即「0」不能變為「1」，如圖（B）右側原理所示。

Donati等為MgO上的Ho 原子創造出四重對稱環境，利用對給定磁場旋轉方向敏感的圓偏振XPS和XMCD儀器分析，觀測到全部的Ho 原子出現磁滯和剩磁現象。結合計算結果，他們證明在四重對稱環境下，單電子過程受到抑制，只允許涉及到兩個或更多電子的高階進程發生，使Ho 原子基態得以保持，從而可以觀測到剩磁。同時在不同厚度的MgO絕緣層都證實了這一結果。局部4f軌道和MgO的一些原子層能從銀金屬電極分離Ho磁矩，使電子散射流程以及聲子作用可能性非常小，最終可成功得到一個單原子磁鐵。

【結論】

基於目前研究成果，科學家們開展的實驗越來越側重於單個原子自旋方向的動態操控，這是單原子磁鐵應用在量子存儲和處理技術方面至關重要的工作。另外，探索更高溫度下剩磁的可行性應用以及用電流對單個原子進行一次讀取和寫入，是單原子存儲器未來研究不可避免的話題。我們有充分的理由相信，在不久的未來，隨著單原子存儲器在信息領域的推廣應用，人類會有更加絢麗多彩的生活，我們期盼著那一天的到來！

【材料牛小編溫馨提示】

該研究成果近期發表在Science上，論文鏈接請上材料牛獲取：http://www.cailiaoniu.com/8542.html

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