原子级薄磁设备可能会带来新的存储技术

磁性材料是现代数字信息技术的支柱，例如硬盘存储。华盛顿大学领导的团队现在通过使用仅仅几层原子厚度的磁体编码信息，进一步迈出了这一步。这一突破可以通过实现更高密度的数据存储和提高能源效率，彻底改变云计算技术和消费电子产品。

研究人员报告称，他们使用叠层超薄材料对电子流动进行前所未有的控制，这种控制基于其自旋方向 - 电子“旋转”类似于微小，亚原子磁铁。他们使用的材料包括三碘化铬(CrI3)，这是2017年描述的第一种二维磁性绝缘体。四张薄片 - 每个只有原子厚度 - 创造了最薄的系统，它可以根据旋转阻挡电子，同时施加比其他方法强10倍以上的控制。

“我们的工作揭示了将基于磁技术的信息存储推向原子极薄极限的可能性，”联合主编，天宇博士，一位华盛顿大学物理学博士生说。

“随着信息的爆炸性增长，面临的挑战是如何在降低运营能量的同时提高数据存储密度，”相应的作者徐晓东说，他是一位物理和材料科学与工程教授，以及威斯康星大学的教授研究员能源研究所。“这两项工作的结合表明了设计原子级薄磁存储器件的可能性，其能耗比目前可实现的数量级小。”

新的科学论文还研究了这种材料如何能够实现一种利用每张纸上的电子旋转的新型存储器。

研究人员在导电的石墨烯片之间夹着两层CrI3。他们表明，取决于自旋在每个CrI-3板之间如何对准，电子可以在两个石墨烯片之间无阻碍地流动或者在很大程度上阻止流动。这两种不同的配置可以充当比特 - 日常计算中的二进制代码的零和一些 - 来编码信息。

“这种类型存储器的功能单元是磁隧道结，或MTJ，它们是磁性”栅极“，可以抑制或通过电流，这取决于自旋在结中的排列方式，”共同主要作者蔡兴涵说，华盛顿大学物理学博士后研究员。“这样的门是实现这种小规模数据存储的关键。”

凭借多达四层的CrI3，该团队发现了“多位”信息存储的潜力。在两层CrI3中，每层之间的自旋沿相同方向或相反方向排列，导致电子可以流过磁门的两种不同速率。但是，对于三层和四层，每层之间存在更多的自旋组合，导致电子可以通过磁性材料从一个石墨烯片流到另一个的多个不同速率。

“你可以选择A，B，C，甚至是D，而不是你的计算机只有两种选择来存储一个数据，”合着者Bevin Huang说，他是一名华盛顿大学物理学博士生。“因此，使用CrI3结的存储设备不仅效率更高，而且本质上可以存储更多数据。”

研究人员的材料和方法代表了在类似操作条件下使用氧化镁的现有技术的显着改进，氧化镁更厚，在阻挡电子方面效率更低，并且缺乏多位信息存储的选择。

“虽然我们目前的设备需要适度的磁场，并且只能在低温下工作，不能用于现有技术，但设备概念和操作原理是新颖的，具有开创性的，”Xu说。“我们希望通过开发电磁控制和一些独创性，这些隧道结可以在减少甚至不需要高温磁场的情况下运行，这可能会改变新的存储器技术。”