存儲器是計算機硬體系統五大組成部分之一,它像人的大腦一樣具有記憶功能並能在計算機的運行過程中自動完成指令、數據和程序的存儲。隨著電子信息特別是計算機技術的發展,磁性存儲器正在不斷革新,非揮發性、高存取速度、低製造成本、製程簡單、存儲密度高、耗電量低與可以無限擦寫等將是未來存儲器市場發展的主要趨勢。
準磁性材料中的反鐵磁體,因在計算機內存中能保存比傳統磁體所允許的更多數據潛力,吸引了廣大科研工作者的目光。大家普遍認為磁性存儲器,或許可以從那些有望以更大密度實現更可靠存儲的材料中獲得推動。
當前,傳統鐵磁體被廣泛應用於包括非揮發性磁性隨機存儲器(MRAM)在內的各種現代存儲技術中。與其他內存技術相比,使用MRAM讀取和寫入數據的速度可與靜態隨機存儲器SRAM媲美,在存儲容量上可與動態隨機存取存儲器(DRAM)抗衡,但MRAM消耗的功率更少,且像快閃記憶體一樣是非易失性的,這意味著它不需要穩定的電源來保留數據。
MRAM將信息存儲為電子的自旋,這是與電子固有角動量有關的屬性。鐵磁體具有不成對的電子,它們沿兩個方向中的某一方向旋轉或指向,鐵磁體中的大多數電子指向同一方向。MRAM基於電子自旋產生的巨磁阻(GMR)特別是穿隧磁阻效應(TMR)工作,以磁性結構中的自由層磁化方向不同產生的磁阻變化來存儲「1」和「0」。
鐵磁體的缺點是它們可能會受到外部磁場的影響,這可能導致位意外翻轉。除非相鄰鐵磁體之間有足夠的空間,否則相鄰鐵磁體的自旋會相互影響,這限制了MRAM以較低的成本擴展到更高密度的能力。
從理論上講,反鐵磁體(包括錳、鉑和錫等常見金屬的化合物)可以解決限制MRAM廣泛應用的問題。與傳統鐵磁體特性不同,同一反鐵磁體中的電子自旋並非全部指向同一方向,相鄰原子上的電子指向彼此相反,從而有效地相互抵消。
反鐵磁體中所有自旋的集體取向仍然可以記錄位,但是磁體整體上沒有磁場。因此,反鐵磁體不會相互影響,也不會受到外部磁場的幹擾。而且,由於反鐵磁體的自旋動力學要快得多,因此比特可以以太赫茲頻率在皮秒內切換,這比鐵磁MRAM中千兆赫茲頻率所需的納秒要快得多。從理論上來說,反鐵磁體可以將MRAM的寫入速度提高三個數量級。
在過去的5年中,由於證明了可以使用電流控制反鐵磁體中電子的自旋,並可使用與標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)製造技術兼容的組件來實現這一點,反鐵磁體在內存中的應用潛力獲得了肯定,這直接促成了對不同類型反鐵磁體和開關技術的大量研究。
2020年初以來,反鐵磁體的使用研究已經取得了一些進展:西北大學電氣與計算機工程的研究人員展示了鉑錳的細小柱子開關,並表示想製造一種與CMOS兼容的設備;德國達姆施塔特技術大學的研究小組描述了一種用於切換鑽頭的新型MRAM技術,即自旋軌道扭矩,該技術也可以用於切換存儲在一個鑽頭中的鑽頭;東京大學的研究人員成功地轉換了具有特定類型電子的反鐵磁體(錳錫合金)中的位,該鐵被稱為韋爾費米子,這些費米子的自旋狀態相對容易測量,並且使該設備比其他反鐵磁設備簡單得多。
業內人士認為,對反鐵磁體的研究工作已經開始,在將反鐵磁體用於商業設備之前,還必須解決許多技術難題,如電流產生的熱量似乎會在某些反鐵磁器件中引起電壓模式,看上去與電子自旋開關可能引起的電壓模式相似,而區分兩者對數據的讀取至關重要。因為從反鐵磁體讀取數據仍然比讀取鐵磁體中存儲的數據慢得多、也更困難,這需要找到更有效的讀取方式。