原子級厚度的磁存儲器：有望提高存儲密度並降低能耗！

導讀

近日，美國華盛頓大學領導的科研團隊進一步推進了磁性材料方面的研究，他們採用只有幾個原子層厚度的磁體編碼信息。這項突破將通往更高密度的數據存儲並且提高能量效率，從而革新計算技術和消費電子設備。

背景

磁性材料，是硬碟存儲器等現代數字信息技術的重要基礎。之前，筆者曾經介紹過許多有關磁性材料的創新成果，接下來先帶大家回顧一下：

第一，日本北海道大學的科學家開發出一種可快速安全地在磁性和非磁性信號之間切換的存儲材料，它將使得固態硬碟和USB快閃記憶體驅動器等傳統存儲器件的存儲容量翻倍。

（圖片來源: 日本北海道大學）

第二，德國美因茨大學的物理學家在反鐵磁體中讀出和寫入數字信息，未來有望帶來穩定的超快速磁存儲器。

（圖片來源：參考資料【2】）

第三，美國明尼蘇達大學研究人員研究出一種涉及磁阻效應的新型拓撲絕緣體，未來它將改善計算與存儲。

（圖片來源： 明尼蘇達大學）

第四，新加坡國立大學研究團隊成功地將磁存儲晶元嵌入到塑料材料中，在柔性材料上製造出存儲晶元。這項研究中的存儲晶元就是基於磁阻隨機存取存儲器 （MRAM），採用氧化鎂（MgO）的磁隧道結來存儲數據。

（圖片來源: 新加坡國立大學）

第五，日本東北大學研究人員通過最新計算機模擬模型研究得出：使用超高速激光脈衝，激發磁性材料中的電子，使之切換到瞬態無磁性狀態，可以減少操控材料磁性的時間，改善磁存儲和信息處理技術。

（圖片來源：Sumio Ishihara）

創新

目前，美國華盛頓大學領導的科研團隊正進一步推進磁性材料方面的研究，他們採用僅有幾個原子層厚度的磁體來編碼信息。這項突破性研究將通往更高密度的數據存儲，並提高能量效率，從而革新計算技術和消費電子設備。

在一篇在線發表於5月3日的《科學（Science）》雜誌的論文中，研究人員報告了他們採用超薄材料進行層疊，基於電子的自旋方向（在那裡，電子的「自旋」類似於微型亞原子磁體），史無前例地控制電子流動。他們採用了包括三碘化鉻（CrI3）在內的材料，CrI3 材料於2017年被描述為首個二維磁性絕緣體。四層薄片（每層僅有一個原子厚度）創造出了迄今為止最薄的系統，可基於電子自旋阻止電子流動，並且比其他方法產生的控制力強大10倍。

下圖是三碘化鉻（CrI3）晶體結構的示意圖，鉻原子以紫色顯示，而碘原子以黃色顯示。黑色箭頭代表電子「自旋」，它類似於微小的條形磁鐵。

（圖片來源：Tiancheng Song）

技術

4月23日發表於《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》雜誌的相關論文中，團隊探索出通過電氣方式控制這種原子級厚度的磁體的磁性的方法。

論文通訊作者、華盛頓大學物理和材料科學與工程專業教授、華盛頓大學清潔能源研究所研究員 Xiaodong Xu 表示：「隨著信息爆炸性地增長，如何提高數據存儲密度並降低操作能耗，顯得頗具挑戰性。將所有的研究工作結合起來，有望設計出原子級厚度的磁性存儲器，比現有技術的能耗低幾個數量級。」

這篇發表於《科學》雜誌的論文也研究了，如何利用這種材料帶來能在每個單獨薄片利用電子自旋的新型存儲器。

研究人員用兩層CrI3，如同三明治一般被兩層石墨烯導電薄片夾住，根據每層CrI3 之間電子自旋的對齊方式，在兩層石墨烯薄片之間，電子可以暢通無阻地流動或者大部分被阻止。這兩種配置可以作為比特位（日常計算中使用的二進位0和1）來編碼信息。

（圖片來源：Tiancheng Song）

論文合作領導作者之一、華盛頓大學物理系的博士後研究員 Xinghan Cai 表示：「這種存儲器的功能單元是磁隧道結（MTJ）。它是一種具有磁性的『門』，基於隧道結中的電子自旋對齊方式，允許或阻止電子流過。這種門是實現小型數據存儲器的關鍵。」

通過多達四層的CrI3，團隊發現「多比特」信息存儲的潛力。在兩層CrI3中，每層之間的電子自旋可能朝著相同方向或相反方向對齊，導致流過磁性門的電子比率不同。然而有了三層和四層，每層之間的電子自旋有了更多的組合，從而為流過磁性材料從一個石墨烯薄片到另一個石墨烯薄片的電子帶來多種不同的比率。

華盛頓大學物理系博士生、論文合著者 Bevin Huang 表示：「你的電腦可以有 A、B、 C甚至D及更多的選擇，而不是只有兩種方法存儲一段數據。所以，採用CrI3 隧道結不僅更加高效，而且從本質上講也可以存儲更多數據。」

價值

華盛頓大學物理系博士生、論文合作領導作者之一 Tiancheng Song 表示：「我們的研究表明，基於磁性技術的信息存儲有望發展到原子級厚度。」

研究人員的材料和方法，相比現有技術有顯著提升。在相同的操作條件下，氧化鎂材料更厚，阻止電子流動的效果更差，缺少多比特信息存儲的選項。

Xu 表示：「儘管目前我們的器件需要適度的磁場，且只能在低溫下操作，無法適用於現有技術，但是設備的設計理念和工作原理是全新且突破性的。我們希望通過開發電氣控制機制和一些新功能，讓這些隧道結能在高溫條件下，需要較少的磁場甚至完全無需磁場就可以正常工作。這將為新型存儲技術帶來巨大的改變。」

關鍵字

磁、存儲、自旋、電子

參考資料

【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

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