物理学家发现开启和关闭反铁磁性新方法 将导致更快更安全存储设备

原标题：物理学家发现开启和关闭反铁磁性新方法 将导致更快更安全存储设备 来源：cnBeta.COM

当你把一张图片保存到你的智能手机上时，这些数据被写入微小的晶体管，这些晶体管以 "比特 "的模式被电动打开或关闭，以表示和编码该图像。今天，大多数晶体管是由硅制成的，科学家已经设法将这种元素以越来越小的规模进行转换，使数十亿比特，以及因此而产生的大型图像和其他文件库，能够被装入单个存储芯片。

但是，对数据以及存储数据的手段的需求不断增长，正促使科学家们在硅之外寻找能够将存储设备推向更高密度、速度和安全性的材料。现在，麻省理工学院的物理学家们已经展示了初步证据，数据可能以反铁磁体制成的更快、更密、更安全的比特形式存储。

反铁磁性或AFM材料是铁磁体或传统磁性材料鲜为人知的表亲。铁磁体中的电子同步旋转，这一特性使罗盘指针指向北方，共同追随地球的磁场，而反铁磁体中的电子则喜欢与它们的邻居相反的旋转，这种 "反排列 "即使在最小的尺度上也能有效地抑制磁化。

在开启和关闭反铁磁性的过程中，麻省理工学院的物理学家可能已经找到了一条通往更快、更密集、更安全的存储设备的道路。反铁磁体中没有净磁化，使其不受任何外部磁场的影响。如果它们被制成存储设备，反铁磁位可以保护任何编码的数据不被磁力擦除。它们还可以被制成更小的晶体管，并比传统的硅更多地被装入每块芯片。

现在，麻省理工学院的团队发现，通过向反铁磁性材料中掺入额外的电子，他们可以以一种可控的方式打开和关闭其集体反排列。他们发现这种磁转换是可逆的，而且足够尖锐，类似于将一个晶体管的状态从0切换到1。这项成果于2021年5月6日发表在《物理评论快报》上，展示了将反铁磁体作为数字开关的潜在新途径。

为了改善数据存储，一些研究人员正在寻找MRAM，或称磁阻式RAM，一种将数据存储为由传统磁性材料制成的比特存储系统。原则上，一个MRAM设备将由数十亿的磁位组成。为了对数据进行编码，设备内的局部磁域的方向被翻转，类似于将一个晶体管从0切换到1。MRAM系统有可能比硅基设备更快地读取和写入数据，并能以更低的功率运行。但是它们也可能容易受到外部磁场的影响。

相反，反铁磁体不受外部磁场的影响，因此可以成为MRAM更安全的替代品。实现可编码AFM比特的一个重要步骤是能够开启和关闭反铁磁性。研究人员已经找到了各种方法来实现这一点，主要是通过使用电流将材料从有序的反排列切换到随机无序的自旋。

但缺点是，每次你需要电流来读取或写入，每次操作需要大量能量，产生大量热量。在最新新研究中，他们使用了镍酸钕，一种在拉马纳森实验室生长的反铁磁氧化物。这种材料表现出纳米域，由自旋与相邻原子相反的镍原子组成，并由氧和钕原子固定在一起。研究人员以前曾绘制过这种材料的分形特性图。自那时起，研究人员一直在寻找他们是否能够通过掺杂来操纵该材料的反铁磁性，这是一个有意在材料中引入杂质以改变其电子特性的过程。在他们的案例中，研究人员通过剥离材料中的氧原子来掺入钕氧化镍。

当一个氧原子被移除时，它留下了两个电子，这些电子在其他镍原子和氧原子中被重新分配。研究人员想知道，剥离许多氧原子是否会导致多米诺骨牌效应的无序，从而关闭材料的有序的反排列。为了测试他们的理论，他们生长了100纳米薄的氧化钕薄膜，并将其放置在一个缺氧室中，然后将样品加热到400摄氏度的温度，以鼓励氧气从薄膜中逸出并进入室中的大气。随着他们逐渐去除更多的氧气，他们使用先进的磁性X射线晶体学技术研究了这些薄膜，以确定材料的磁性结构是否完好无损，这意味着其原子自旋仍处于有序的反排列状态，因此保留了反铁磁性。如果他们的数据显示缺乏一个有序的磁结构，这将证明该材料的反铁磁性已经关闭，由于充分的掺杂。

通过他们的实验，研究人员能够在某个临界掺杂阈值关闭材料的反铁磁性。他们还可以通过在材料中重新添加氧气来恢复反铁磁性。既然研究小组已经证明了掺杂能有效地开关AFM，科学家们可能会使用更实用的方法来掺杂类似的材料。例如，硅基晶体管是使用电压激活的 "门 "进行开关的，在那里，一个小电压被施加到一个位上以改变其导电性。反铁磁位也可以使用合适的电压门进行开关，这将需要比其他反铁磁开关技术更少的能量。

这可能为开发一种磁存储设备提供了机会，它的工作原理与硅基芯片类似，还有一个好处是用户可以在AFM域中存储信息，这些域非常坚固，可以以高密度包装，这是解决数据驱动世界挑战的关键。