作者丹尼尔·斯托尔特，亚利桑那大学 使用聚焦的x光，研究人员可以窥视磁性隧道结的样本内部，并解析原子在薄层中的排列
学分:亚利桑那大学王维刚分校 想象一下，咬着花生酱三明治，发现一片奶酪夹在面包和黄油之间
在某种程度上，这就是发生在亚利桑那大学的一组物理学家身上的事情，除了“奶酪”是一层氧化铁，厚度不到一个原子层，而“三明治”是一个磁性隧道结——一种由外来材料组成的微小分层结构，有朝一日可能会取代当前基于硅的计算机晶体管，引发计算革命
氧化铁——一种与通常所说的铁锈有关的材料——当它的厚度接近单个原子的厚度时，就会表现出奇特的性质
由夏威夷大学物理系教授王维刚领导的一个小组在一项新的研究中提出，先前未知的层是磁性隧道结的某些行为的原因，这些行为多年来一直让物理学家困惑不解
这一发现发表在《物理评论快报》杂志上，为进一步开发这项技术打开了意想不到的可能性
与传统的微型晶体管不同，磁性隧道结不使用电子的电荷来存储信息，而是利用电子的量子力学特性，即所谓的“自旋”
“基于磁隧道结的计算技术被称为自旋电子学，目前仍处于实验阶段，应用极其有限
例如，该技术用于飞机和吃角子老虎机，以保护存储的数据免受突然断电的影响
这是可能的，因为磁性隧道结通过切换纳米级磁体的方向来处理和存储信息，而不是像常规晶体管那样移动电子
“当你改变磁化方向时，磁性隧道结的行为就像一个晶体管，它要么‘开’要么‘关’，”王实验室的博士生、是这篇论文的第一作者
“它的一个优点是，当你把它保持在那种状态时，它不消耗任何能量来维持存储的信息
" 尽管高性能磁性隧道结已经存在了大约20年，但科学家们一直困惑于这样一个事实，即每当他们测量“开”和“关”状态之间的差异时，其值都远远低于这些纳米尺寸开关的物理特性所预测的值，这限制了磁性隧道结作为自旋电子计算构建模块的潜力
王和他的同事们在他们的磁性隧道结样品中的两个磁性层之间的界面上发现了一层薄薄的氧化铁，这就是这个谜团的解释
“我们认为这一层起到了污染物的作用，阻止了我们的样品达到我们希望从磁性隧道结看到的性能，”王说
密集排列的磁性隧道结样本
学分:亚利桑那大学王维刚分校 然而，王说，这一发现是一枚两面奖牌，因为尽管未预料到的层通过降低磁隧道结在“开”和“关”状态下的电阻变化而降低了磁隧道结的前景，但这是一个好消息，因为它在自旋电子学的另一个领域打开了意想不到的机会
王的团队发现，当他们在零下400华氏度或零下245摄氏度的极冷温度下测试隧道结时，该层表现出所谓的反铁磁性
反铁磁物质正在进行深入研究，因为它们有可能在太赫兹频率下被操纵，比现有的硅基技术快约1000倍，硅基技术通常在千兆赫范围内工作
然而，到目前为止，研究人员一直在努力寻找操纵这种有前途的设备的方法，这是将该技术应用于数据存储的关键的第一步
“在一些情况下，研究人员确实成功地孤立地控制了反铁磁材料，”王说，“但是一旦你试图将反铁磁层结合到磁性隧道结中——这是你为了将它们用于自旋电子学所必须做的——它就杀死了整个东西。”
" 然而，王的研究小组发现，在这项研究中报道的这一层没有
王说，这可能使研究人员第一次将反铁磁物质的优势——前所未有的读写速度——与磁性隧道结的可控性结合起来
“通过这项研究，我们第一次证明了我们可以利用电场改变磁性隧道结的反铁磁性质，这使我们离利用反铁磁自旋电子学进行存储又近了一步，”王说
原因如下:王说，虽然使用反铁磁物质中的自旋来处理信息极大地提高了计算速度，但最终这些信息必须转换回电荷
“我们用自旋编码的任何信息，无论是反铁磁的还是磁性的，我们最终都想以电信号的形式读出，因为电子确实是我们拥有的最好的东西，也是处理、读取和写入信息的最受欢迎的介质，”他说
“这种转换通常由磁性隧道结完成
" 磁性隧道结的简化示意图，其中非磁性隧道势垒夹在两个磁性层之间，这两个磁性层的自旋沿单一方向排列
学分:亚利桑那大学王维刚分校 在磁性隧道结中加入反铁磁层，有朝一日可能会让工程师设计出计算机，在计算机中，信息处理发生在与存储信息相同的地方，类似于人脑
王说，自旋电子器件相对于传统晶体管还有另一个优势:它们不需要能量来维持存储在存储器中的信息
“使用自旋电子学，你只需要电场来写信息，但是一旦完成，你可以关掉它来减少能量消耗，”他说
王说，另一方面，硅基晶体管受到一种被称为电子泄漏的影响
随着制造商将越来越多的晶体管塞入微处理器的更小区域，越来越多的电子丢失，这就要求器件做额外的工作，消耗额外的能量来抵消这一过程
王说，电子泄漏是摩尔定律——即芯片上晶体管的数量每两年翻一番——预计将很快结束的原因之一
对于自旋电子器件，泄漏不是问题；它们可以在不消耗能量的情况下无限期地存储信息
他说:“这也是为什么你的冰箱磁铁能在原地停留很长时间的原因。”
“一旦进行了量子力学交换相互作用，就不需要能量输入来维持磁化方向
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