磁性材料是現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)的支柱，例如硬盤存儲(chǔ)。華盛頓大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在通過(guò)使用僅僅幾層原子厚度的磁體編碼信息，進(jìn)一步邁出了這一步。這一突破可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和提高能源效率，徹底改變?cè)朴?jì)算技術(shù)和消費(fèi)電子產(chǎn)品。

研究人員報(bào)告稱，他們使用疊層超薄材料對(duì)電子流動(dòng)進(jìn)行前所未有的控制，這種控制基于其自旋方向 - 電子“旋轉(zhuǎn)”類似于微小，亞原子磁鐵。他們使用的材料包括三碘化鉻(CrI3)，這是2017年描述的第一種二維磁性絕緣體。四張薄片 - 每個(gè)只有原子厚度 - 創(chuàng)造了最薄的系統(tǒng)，它可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)阻擋電子，同時(shí)施加比其他方法強(qiáng)10倍以上的控制。

“我們的工作揭示了將基于磁技術(shù)的信息存儲(chǔ)推向原子極薄極限的可能性，”聯(lián)合主編，天宇博士，一位華盛頓大學(xué)物理學(xué)博士生說(shuō)。

“隨著信息的爆炸性增長(zhǎng)，面臨的挑戰(zhàn)是如何在降低運(yùn)營(yíng)能量的同時(shí)提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，”相應(yīng)的作者徐曉東說(shuō)，他是一位物理和材料科學(xué)與工程教授，以及威斯康星大學(xué)的教授研究員能源研究所。“這兩項(xiàng)工作的結(jié)合表明了設(shè)計(jì)原子級(jí)薄磁存儲(chǔ)器件的可能性，其能耗比目前可實(shí)現(xiàn)的數(shù)量級(jí)小。”

新的科學(xué)論文還研究了這種材料如何能夠?qū)崿F(xiàn)一種利用每張紙上的電子旋轉(zhuǎn)的新型存儲(chǔ)器。

研究人員在導(dǎo)電的石墨烯片之間夾著兩層CrI3。他們表明，取決于自旋在每個(gè)CrI-3板之間如何對(duì)準(zhǔn)，電子可以在兩個(gè)石墨烯片之間無(wú)阻礙地流動(dòng)或者在很大程度上阻止流動(dòng)。這兩種不同的配置可以充當(dāng)比特 - 日常計(jì)算中的二進(jìn)制代碼的零和一些 - 來(lái)編碼信息。

“這種類型存儲(chǔ)器的功能單元是磁隧道結(jié)，或MTJ，它們是磁性”柵極“，可以抑制或通過(guò)電流，這取決于自旋在結(jié)中的排列方式，”共同主要作者蔡興涵說(shuō)，華盛頓大學(xué)物理學(xué)博士后研究員。“這樣的門是實(shí)現(xiàn)這種小規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵。”

憑借多達(dá)四層的CrI3，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了“多位”信息存儲(chǔ)的潛力。在兩層CrI3中，每層之間的自旋沿相同方向或相反方向排列，導(dǎo)致電子可以流過(guò)磁門的兩種不同速率。但是，對(duì)于三層和四層，每層之間存在更多的自旋組合，導(dǎo)致電子可以通過(guò)磁性材料從一個(gè)石墨烯片流到另一個(gè)的多個(gè)不同速率。

“你可以選擇A，B，C，甚至是D，而不是你的計(jì)算機(jī)只有兩種選擇來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)據(jù)，”合著者Bevin Huang說(shuō)，他是一名華盛頓大學(xué)物理學(xué)博士生。“因此，使用CrI3結(jié)的存儲(chǔ)設(shè)備不僅效率更高，而且本質(zhì)上可以存儲(chǔ)更多數(shù)據(jù)。”

研究人員的材料和方法代表了在類似操作條件下使用氧化鎂的現(xiàn)有技術(shù)的顯著改進(jìn)，氧化鎂更厚，在阻擋電子方面效率更低，并且缺乏多位信息存儲(chǔ)的選擇。

“雖然我們目前的設(shè)備需要適度的磁場(chǎng)，并且只能在低溫下工作，不能用于現(xiàn)有技術(shù)，但設(shè)備概念和操作原理是新穎的，具有開(kāi)創(chuàng)性的，”Xu說(shuō)。“我們希望通過(guò)開(kāi)發(fā)電磁控制和一些獨(dú)創(chuàng)性，這些隧道結(jié)可以在減少甚至不需要高溫磁場(chǎng)的情況下運(yùn)行，這可能會(huì)改變新的存儲(chǔ)器技術(shù)。”