科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

德國(guó)亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心、開姆尼茨工業(yè)大學(xué)、德累斯頓工業(yè)大學(xué)和于利希工業(yè)中心聯(lián)合團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出一種超材料，材料中的圓柱域不僅可存儲(chǔ)單個(gè)比特，還可存儲(chǔ)整個(gè)比特序列。發(fā)表在最新《先進(jìn)電子材料》的這一成果，為研發(fā)新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磁性變體鋪平道路。

信息存儲(chǔ)在位于圓柱疇及其周圍環(huán)境之間的疇壁中。疇壁的這種磁化可順時(shí)針或逆時(shí)針指向各個(gè)塊，這些塊由釕層垂直隔開。通過系統(tǒng)地改變這些方向，研究人員可在圓柱域內(nèi)編碼不同的比特序列，圖示為概念解釋。
圖片來源：亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心

圓柱域在物理學(xué)上是薄磁層中的一種微小圓柱形區(qū)域。它的自旋（即在材料中產(chǎn)生磁矩的電子固有角動(dòng)量）指向一個(gè)特定方向，會(huì)產(chǎn)生與其余部分不同的磁化強(qiáng)度。這在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用價(jià)值。

而疇壁是相關(guān)應(yīng)用中又一個(gè)關(guān)鍵概念，它是磁性材料中相鄰磁疇之間的過渡區(qū)域。在當(dāng)前試圖實(shí)現(xiàn)的磁存儲(chǔ)技術(shù)中，精確控制疇壁中的自旋結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，因?yàn)樗捻槙r(shí)針或逆時(shí)針方向可直接用于編碼比特。目前的硬盤軌道寬度為30—40納米，比特長(zhǎng)度為15—20納米，在郵票大小的表面上可容納大約1TB數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)試圖通過將存儲(chǔ)擴(kuò)展到三維，來克服這種數(shù)據(jù)密度限制。

磁性多層結(jié)構(gòu)是控制疇壁內(nèi)自旋結(jié)構(gòu)的一種有潛力的方法。團(tuán)隊(duì)此次使用了鈷和鉑交替層塊，由釕層隔開，并將它們沉積在硅晶片上。由此產(chǎn)生的超材料，是合成的反鐵磁體。它的特點(diǎn)是垂直磁化結(jié)構(gòu)，其中相鄰的層塊具有相反的磁化方向，從而使整體磁化呈現(xiàn)凈中性。

新系統(tǒng)的巧妙之處在于，人們可專門控制層的厚度，從而控制它們的磁性。這使研究團(tuán)隊(duì)能調(diào)整合成反鐵磁體的磁性行為，使整個(gè)比特序列都可存儲(chǔ)在尺寸僅為100納米左右的微小圓柱域，而不像以往僅僅單個(gè)比特。

該成果開辟了一個(gè)很有前景的應(yīng)用方向：人們將以可控、快速和節(jié)能的方式，沿著這些磁性數(shù)據(jù)高速公路進(jìn)行信息傳輸。

總編輯圈點(diǎn)：

本文的新材料之所以別具潛力，是因?yàn)樗鼘儆谝环N磁性多層結(jié)構(gòu)，可以通過組合不同的材料和層厚來調(diào)整磁能。這就讓科學(xué)家能自如控制合成反鐵磁體的磁性。其不僅僅為更高效數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了新概念，還將在磁電子學(xué)中發(fā)揮潛力，譬如開發(fā)出全新磁阻傳感器或自旋電子的元件。而未來的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同樣需要復(fù)雜的磁性納米體，從而實(shí)現(xiàn)像人腦一樣處理數(shù)據(jù)。