新型超材料打造数据“高速公路”，有望推进神经网络磁性变体研发
- 来源：科技日报
- 2024-07-25
德国亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心、开姆尼茨工业大学、德累斯顿工业大学和于利希工业中心联合团队合作开发出一种超材料，材料中的圆柱域不仅可存储单个比特，还可存储整个比特序列。发表在最新《先进电子材料》的这一成果，为研发新型数据存储和传感器、神经网络的磁性变体铺平道路。
信息存储在位于圆柱畴及其周围环境之间的畴壁中。畴壁的这种磁化可顺时针或逆时针指向各个块，这些块由钌层垂直隔开。通过系统地改变这些方向，研究人员可在圆柱域内编码不同的比特序列，图示为概念解释。
圆柱域在物理学上是薄磁层中的一种微小圆柱形区域。它的自旋（即在材料中产生磁矩的电子固有角动量）指向一个特定方向，会产生与其余部分不同的磁化强度。这在自旋电子学领域有巨大应用价值。
而畴壁是相关应用中又一个关键概念，它是磁性材料中相邻磁畴之间的过渡区域。在当前试图实现的磁存储技术中，精确控制畴壁中的自旋结构至关重要，因为它的顺时针或逆时针方向可直接用于编码比特。目前的硬盘轨道宽度为30—40纳米，比特长度为15—20纳米，在邮票大小的表面上可容纳大约1TB数据。团队试图通过将存储扩展到三维，来克服这种数据密度限制。
磁性多层结构是控制畴壁内自旋结构的一种有潜力的方法。团队此次使用了钴和铂交替层块，由钌层隔开，并将它们沉积在硅晶片上。由此产生的超材料，是合成的反铁磁体。它的特点是垂直磁化结构，其中相邻的层块具有相反的磁化方向，从而使整体磁化呈现净中性。
新系统的巧妙之处在于，人们可专门控制层的厚度，从而控制它们的磁性。这使研究团队能调整合成反铁磁体的磁性行为，使整个比特序列都可存储在尺寸仅为100纳米左右的微小圆柱域，而不像以往仅仅单个比特。
该成果开辟了一个很有前景的应用方向：人们将以可控、快速和节能的方式，沿着这些磁性数据高速公路进行信息传输。
本文的新材料之所以别具潜力，是因为它属于一种磁性多层结构，可以通过组合不同的材料和层厚来调整磁能。这就让科学家能自如控制合成反铁磁体的磁性。其不仅仅为更高效数据存储提供了新概念，还将在磁电子学中发挥潜力，譬如开发出全新磁阻传感器或自旋电子的元件。而未来的神经网络，同样需要复杂的磁性纳米体，从而实现像人脑一样处理数据。
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