原子级磁性装置或可用于新型存储技术学术资讯

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▲研究人员用石墨烯触层夹持了两层CrI3，并测试了穿过CrI3的电子流。

磁性材料是现代数字技术的支柱。目前，一支由美国华盛顿大学领导的团队采用仅数层原子厚度的磁体进行信息编码，使存储用磁性材料的研究更进一步。这一重大突破将通过增大数据存储密度和提高能源效率，使云计算和消费电子品取得革命性进展。

据5月3日《科学》在线发表的论文报道，研究人员通过使用超薄材料，以前所未有的方式控制了电子流的方向（基于电子自旋方向）。他们使用的材料主要为三碘化铬薄片（CrI3，2017年报道的首种二维磁绝缘体）。作为迄今最薄的磁性材料，它只包含4层薄片，每一层都仅为原子厚度。它可依据自身自旋阻隔电子，并施加高于其他方式10倍的控制强度。论文共同一作、华盛顿大学物理学博士生Tiancheng Song说：“我们的研究证实，将基于磁性技术的信息存储提升至原子级是可行的。”在4月23日发表于《自然纳米技术》的相关研究中，该研究团队发现了利用电控操控这种原子级磁体磁性的方法。

论文通讯作者Xiaodong Xu认为，在信息爆炸性增长的时代，制造同时满足高存储密度和低功耗的原子级磁性存储设备是可以实现的。在《科学》发表的论文中，研究人员还研究了磁性材料如何利用单独层的电子自旋实现新类型的记忆存储——CrI3层间自旋的定向方式决定了电子是在石墨烯层间畅行无阻还是在很大程度上无法流动。这两种不同的构形，可以作为二进制代码用于编码信息。论文共同一作、华盛顿大学物理学博士生Xinghan Cai说：“这种存储系统的功能单位是磁性隧道结（MTJ），它可以根据结中的自旋定向控制电子流。MTJ是小型数据存储器的核心。”

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▲CrI3的晶体结构，其中Cr为紫色，I为黄色，黑色箭头代表电子“自旋”。

在多达4层的CrI3中，研究人员发现了“多比特”信息存储的潜力。与2层CrI3相比，3~4层CrI3可以具备更多自旋组合，进而使电子以不同速率在石墨层之间流动。研究人员认为，使用CrI3结的存储设备不仅存储效率高，存储量也更大。虽然CrI3型材料的性能较MgO型有较大改善，但距其真正投入应用尚需时日。

Xu说：“虽然我们的设备需要在适宜磁场和低温下使用，可行性不佳，但其设计概念和原理是具有开创性的。我们希望这类设备在将来能投入应用，促进新存储技术的诞生。”

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编译：雷鑫宇审稿：阿淼编辑：程建兰

来源：https://phys.org/news/2018-05-atomically-thin-magnetic-device-memory.html