密歇根技术大学艾利森·米尔斯 学分:密歇根技术大学 电子是我们在学校里读到的自然界的基本粒子之一
它的行为为存储数字数据的新方法提供了线索
在《纳米快报》发表的一项研究中，密歇根理工大学的物理学家探索替代材料，以提高容量和缩小数字数据存储技术的规模
密歇根理工大学物理学教授兰吉特·帕蒂领导了这项研究，并解释了他的团队新纳米线设计背后的物理原理
帕蒂说:“由于一种叫做自旋的特性，电子的行为就像微小的磁铁。”
“类似于条形磁铁的磁化是偶极的，从南到北，材料中的电子具有描述材料磁化的磁偶极矩矢量
" 当这些矢量处于随机取向时，材料是非磁性的
当它们相互平行时，这叫做铁磁性，反平行排列是反铁磁性
当前的数据存储技术基于铁磁材料，其中数据存储在小的铁磁域中
这就是为什么一个足够强的磁铁会弄乱手机或其他电子存储设备
数据存储挑战 根据磁化方向(指向上还是指向下)，数据在铁磁畴中被记录为位(1或0)
然而，有两个瓶颈，都取决于邻近性
首先，将外部磁铁放得太近，其磁场会改变磁畴中磁矩的方向，并损坏存储设备
其次，每个磁畴都有自己的磁场，所以它们也不能靠得太近
更小、更灵活、更通用的电子器件面临的挑战是，它们需要更难将铁磁畴安全分开的器件
帕蒂说:“超高密度数据封装对于铁磁性存储领域来说是一项艰巨的任务。”
“另一方面，反铁磁材料不受这些问题的影响
" 反铁磁材料本身对电子设备来说并不重要，但它们不受外部磁场的影响
这种抵抗磁操纵的能力开始受到研究界的更多关注，帕蒂的团队使用了一种考虑电子-电子相互作用的预测量子多体理论
研究小组发现，具有锗核和硅壳的掺铬纳米线可以成为反铁磁半导体
反铁磁 几个研究小组最近演示了使用电流和激光操纵反铁磁材料中的单个磁性状态
他们观察到太赫兹频率的自旋动力学——比我们当前数据存储设备中使用的频率快得多
这一发现引发了反铁磁领域的大量研究兴趣，并可能导致更快、更大容量的数据存储
帕蒂说:“在我们最近的工作中，我们成功地将反铁磁材料的有趣特性应用到低维互补金属氧化物兼容半导体纳米线中，而没有破坏纳米线的半导体特性。”
“这为更小更智能的电子设备提供了更大容量的数据存储和处理的可能性
" 帕蒂补充说，对他的团队来说，研究中最令人兴奋的部分是揭示了反铁磁的机制
这种机制被称为超交换，它控制电子的自旋和反平行排列，使它们反铁磁
在该团队的纳米线中，锗电子充当了未连接的铬原子之间的媒介物和交换剂
铬原子的磁性态之间的相互作用是由它们所结合的中间原子来调节的
这是一种合作磁性现象，”帕蒂说
“简单来说，假设有两个人A和B:他们相距很远，不能直接交流
但是甲有朋友丙，乙有朋友丁
c和D是亲密的朋友
所以A和B可以通过C和D间接互动
" 更好地理解电子如何在原子朋友之间交流，使得更多的实验能够测试像掺铬纳米线这样的材料的潜力
更好地理解锗-硅纳米线材料的反铁磁性质，有助于开发更小、更智能、更大容量的电子产品
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