科技日報記者?張夢然
德國亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心、開姆尼茨工業(yè)大學、德累斯頓工業(yè)大學和于利希工業(yè)中心聯(lián)合團隊合作開發(fā)出一種超材料，材料中的圓柱域不僅可存儲單個比特，還可存儲整個比特序列。發(fā)表在最新《先進電子材料》的這一成果，為研發(fā)新型數(shù)據(jù)存儲和傳感器、神經(jīng)網(wǎng)絡的磁性變體鋪平道路。
信息存儲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針或逆時針指向各個塊，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量）指向一個特定方向，會產(chǎn)生與其余部分不同的磁化強度。這在自旋電子學領域有巨大應用價值。
而疇壁是相關應用中又一個關鍵概念，它是磁性材料中相鄰磁疇之間的過渡區(qū)域。在當前試圖實現(xiàn)的磁存儲技術中，精確控制疇壁中的自旋結(jié)構至關重要，因為它的順時針或逆時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)。團隊試圖通過將存儲擴展到三維，來克服這種數(shù)據(jù)密度限制。
磁性多層結(jié)構是控制疇壁內(nèi)自旋結(jié)構的一種有潛力的方法。團隊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。它的特點是垂直磁化結(jié)構，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。這使研究團隊能調(diào)整合成反鐵磁體的磁性行為，使整個比特序列都可存儲在尺寸僅為100納米左右的微小圓柱域，而不像以往僅僅單個比特。
該成果開辟了一個很有前景的應用方向：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)高速公路進行信息傳輸。
總編輯圈點：
本文的新材料之所以別具潛力，是因為它屬于一種磁性多層結(jié)構，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)存儲提供了新概念，還將在磁電子學中發(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，同樣需要復雜的磁性納米體，從而實現(xiàn)像人腦一樣處理數(shù)據(jù)。
