Atomisk tynd magnetisk enhed kan føre til nye hukommelsesteknologier

Magnetiske materialer er rygraden i moderne digitale informationsteknologier, såsom harddisklagring. Et team ledet af University of Washington har nu taget dette et skridt videre ved at kode information ved hjælp af magneter, der kun er nogle få lag atomer i tykkelse. Dette gennembrud kan revolutionere både cloud computing-teknologier og forbrugerelektronik ved at muliggøre datalagring med en større tæthed og forbedret energieffektivitet.

I en undersøgelse offentliggjort online 3. maj i tidsskriftet Videnskab , forskerne rapporterer, at de brugte stakke af ultratynde materialer til at udøve hidtil uset kontrol over strømmen af ​​elektroner baseret på retningen af ​​deres spins - hvor elektronens "spin" er analoge med små, subatomære magneter. De materialer, de brugte, omfatter plader af chromtri-iodid (CrI3), et materiale beskrevet i 2017 som den første 2-D magnetiske isolator nogensinde. Fire ark - hver kun atomer tykke - skabte det tyndeste system til dato, der kan blokere elektroner baseret på deres spins, mens de udøver mere end 10 gange stærkere kontrol end andre metoder.

"Vores arbejde afslører muligheden for at skubbe informationslagring baseret på magnetiske teknologier til den atomare tynde grænse, " sagde co-lead forfatter Tiancheng Song, en UW doktorand i fysik.

I relateret forskning, udgivet 23. april i Natur nanoteknologi , holdet fandt måder til elektrisk at kontrollere de magnetiske egenskaber af denne atomisk tynde magnet.

"Med den eksplosive vækst af information, udfordringen er, hvordan man kan øge tætheden af ​​datalagring og samtidig reducere driftsenergien, " sagde den tilsvarende forfatter Xiaodong Xu, en UW professor i fysik og materialevidenskab og teknik, og fakultetsforsker ved UW Clean Energy Institute. "Kombinationen af ​​begge værker peger på muligheden for at konstruere atomisk tynde magnetiske hukommelsesenheder med energiforbrug størrelsesordener mindre end hvad der i øjeblikket er muligt."

Den nye Videnskab papir ser også på, hvordan dette materiale kunne give mulighed for en ny type hukommelseslagring, der udnytter elektronspin i hvert enkelt ark.

Forskerne lagde to lag CrI3 mellem ledende ark af grafen. De viste, at afhængigt af hvordan spins er justeret mellem hvert af CrI3-arkene, elektronerne kan enten flyde uhindret mellem de to grafenplader eller var stort set blokeret i at flyde. Disse to forskellige konfigurationer kunne fungere som bits - nullerne og enerne i binær kode i hverdagscomputere - til at kode information.

"De funktionelle enheder i denne type hukommelse er magnetiske tunnelforbindelser, eller MTJ, som er magnetiske 'porte', der kan undertrykke eller slippe igennem elektrisk strøm afhængigt af, hvordan spindene flugter i krydset, " sagde co-lead forfatter Xinghan Cai, en UW postdoc forsker i fysik. "Sådan en port er central for at realisere denne type småskala datalagring."

Med op til fire lag CrI3, holdet opdagede potentialet for "multi-bit" informationslagring. I to lag CrI3, spins mellem hvert lag er enten justeret i samme retning eller modsatte retninger, fører til to forskellige hastigheder, som elektronerne kan strømme gennem den magnetiske port. Men med tre og fire lag, der er flere kombinationer for spins mellem hvert lag, fører til flere, distinkte hastigheder, hvormed elektronerne kan strømme gennem det magnetiske materiale fra det ene grafenark til det andet.

"I stedet for at din computer kun har to valgmuligheder at gemme et stykke data i, den kan have et valg A, B, C, selv D og videre, " sagde medforfatter Bevin Huang, en UW doktorand i fysik. "Så ikke kun ville lagerenheder, der bruger CrI3-kryds, være mere effektive, men de ville i sig selv lagre flere data."

Forskernes materialer og tilgang repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til eksisterende teknikker under lignende driftsforhold ved anvendelse af magnesiumoxid, som er tykkere, mindre effektiv til at blokere elektroner og mangler mulighed for multi-bit informationslagring.

"Selvom vores nuværende enhed kræver beskedne magnetfelter og kun fungerer ved lav temperatur, umuligt at bruge i nuværende teknologier, enhedskonceptet og driftsprincippet er nyt og banebrydende, " sagde Xu. "Vi håber, at med udviklet elektrisk kontrol af magnetisme og en vis opfindsomhed, disse tunnelforbindelser kan fungere med reduceret eller endda uden behov for et magnetfelt ved høj temperatur, som kunne være en game changer for ny hukommelsesteknologi."