控制微芯片中磁性的新方法可以為存儲(chǔ)器，計(jì)算和傳感設(shè)備打開大門，這些設(shè)備比現(xiàn)有版本消耗的功率大大減少。該方法還可以克服迄今為止在該領(lǐng)域進(jìn)展緩慢的一些固有的物理限制。

麻省理工學(xué)院和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)證明，只需施加一個(gè)小電壓，他們就可以控制薄膜材料的磁性。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與今天的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存芯片不同，以這種方式制造的磁性方向的變化仍然處于新的狀態(tài)，而不需要任何持續(xù)的功率。

今天在“ 自然材料 ”雜志上發(fā)表了這一新發(fā)現(xiàn)，Geoffrey Beach是一位材料科學(xué)與工程教授，麻省理工學(xué)院材料研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合主任。研究生Aik Jun Tan; 麻省理工學(xué)院和布魯克海文的其他八個(gè)人。

旋轉(zhuǎn)醫(yī)生

隨著硅微芯片越來(lái)越接近基本的物理極限，這可能限制它們?cè)诮档凸牡耐瑫r(shí)繼續(xù)提高其功能的能力，研究人員一直在探索可能繞過(guò)這些極限的各種新技術(shù)。其中一種有前途的替代方案是稱為自旋電子學(xué)的方法，它利用稱為自旋的電子特性而不是電荷。

由于自旋電子器件可以保持其磁性，而不需要硅存儲(chǔ)器芯片所需的恒定功率，因此它們需要的功率要小得多。它們還產(chǎn)生更少的熱量 - 這是當(dāng)今設(shè)備的另一個(gè)主要限制因素。

但是，自旋電子技術(shù)受到其自身的限制。缺點(diǎn)最大的成分之一是通過(guò)施加電壓來(lái)輕松快速地控制材料的磁性。世界各地的許多研究小組一直在追求這一挑戰(zhàn)。

先前的嘗試依賴于金屬磁體和絕緣體之間的界面處的電子累積，使用類似于電容器的器件結(jié)構(gòu)。電荷可以改變材料的磁性，但是僅僅是非常小的量，這使得它在實(shí)際裝置中使用是不切實(shí)際的。還嘗試使用離子代替電子來(lái)改變磁性。例如，氧離子已被用于氧化薄的磁性材料層，導(dǎo)致磁性能的極大變化。然而，氧離子的插入和去除導(dǎo)致材料膨脹和收縮，導(dǎo)致機(jī)械損壞，將過(guò)程限制為僅重復(fù)幾次 - 使其對(duì)于計(jì)算設(shè)備基本上無(wú)用。

通過(guò)使用氫離子代替先前嘗試中使用的更大的氧離子，這一新發(fā)現(xiàn)展示了一種方法。研究人員說(shuō)，由于氫離子可以很容易地進(jìn)出，所以新系統(tǒng)更快，并提供其他顯著優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)闅潆x子非常小，所以它們可以進(jìn)入和離開自旋電子器件的晶體結(jié)構(gòu)，每次都改變其磁取向，而不會(huì)損壞材料。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已證明，該過(guò)程在超過(guò)2,000次循環(huán)后不會(huì)使材料退化。而且，與氧離子不同，氫可以很容易地穿過(guò)金屬層，這使得團(tuán)隊(duì)可以控制無(wú)法以任何其他方式控制的設(shè)備深層的特性。

“當(dāng)你向磁鐵注入氫氣時(shí)，磁化會(huì)旋轉(zhuǎn)，”Tan說(shuō)。“實(shí)際上你可以通過(guò)施加電壓將磁化方向切換90度 - 而且它是完全可逆的。” 由于磁體的磁極方向是用于存儲(chǔ)信息的方向，這意味著可以使用這種效果在自旋電子設(shè)備中容易地寫入和擦除數(shù)據(jù)“位”。

幾年前，海灘的實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了通過(guò)氧離子控制磁性的原始過(guò)程，他說(shuō)最初的發(fā)現(xiàn)釋放了一個(gè)被稱為“磁離子”的新領(lǐng)域的廣泛研究，現(xiàn)在這個(gè)最新的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)“徹底改變了整個(gè)領(lǐng)域。 “

基本上，Beach解釋說(shuō)，他和他的團(tuán)隊(duì)正在“試圖制造一個(gè)晶體管的磁性模擬器”，它可以反復(fù)打開和關(guān)閉，而不會(huì)降低其物理特性。

就加水

這一發(fā)現(xiàn)部分來(lái)自于偶然性。在嘗試使用分層磁性材料尋找改變其磁性行為的方法時(shí)，Tan發(fā)現(xiàn)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果每天都有很大差異，原因并不明顯。最后，通過(guò)檢查不同測(cè)試中的所有條件，他意識(shí)到關(guān)鍵的區(qū)別在于空氣中的濕度：與干燥的天氣相比，實(shí)驗(yàn)在潮濕的日子里效果更好。他最終意識(shí)到，原因是空氣中的水分子在材料的帶電表面上被分解成氧氣和氫氣，當(dāng)氧氣逸出到空氣中時(shí)，氫氣被電離并滲透到磁性裝置中。 - 并改變其磁性。

該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的設(shè)備包括一層薄薄的幾層薄膜，包括一層鈷層，在那里發(fā)生磁性變化，夾在金屬層(如鈀或鉑)和氧化釓覆蓋層之間，然后是金層連接到驅(qū)動(dòng)電壓。

只需短暫施加電壓即可切換磁力，然后保持穩(wěn)定狀態(tài)。反轉(zhuǎn)它根本不需要電源，只是將器件短路以電連接其兩側(cè)，而傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器芯片需要恒定的功率來(lái)維持其狀態(tài)。“由于你只是在施加脈沖，因此功耗可能會(huì)下降，”Beach說(shuō)。

Beach表示，新設(shè)備具有低功耗和高開關(guān)速度，最終可能對(duì)移動(dòng)計(jì)算等設(shè)備特別有用，但工作仍處于早期階段，需要進(jìn)一步開發(fā)。

“我可以在幾年或更短的時(shí)間內(nèi)看到基于實(shí)驗(yàn)室的原型，”他說(shuō)。他說(shuō)，制作一個(gè)完整的工作記憶細(xì)胞“非常復(fù)雜”，可能需要更長(zhǎng)的時(shí)間。