計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)采用不同類型的內(nèi)存，根據(jù)在系統(tǒng)中的使用位置，內(nèi)存的速度和能效會(huì)有所不同。通常情況下，大型計(jì)算機(jī)，尤其是數(shù)據(jù)中心的計(jì)算機(jī)，會(huì)使用大量的磁性硬盤，而這些硬盤目前在消費(fèi)類系統(tǒng)中并不常見。這些磁性技術(shù)提供了非常高的容量，但缺乏固態(tài)存儲(chǔ)器的速度。基于即將到來的自旋電子技術(shù)的設(shè)備可能能夠彌合這一差距，并從根本上改善傳統(tǒng)電子設(shè)備的理論性能。

東京大學(xué)物理系的Satoru Nakatsuji教授和項(xiàng)目副教授Tomoya Higo與他們的團(tuán)隊(duì)，探索了自旋電子學(xué)和固態(tài)物理的其他相關(guān)領(lǐng)域，從廣義上來說，即不動(dòng)物體的物理。多年來，他們研究了多種特殊種類的磁性材料，其中一些具有非常不尋常的特性。大家可能對(duì)鐵磁體很熟悉，因?yàn)檫@些鐵磁體存在于許多日常應(yīng)用中，如電腦硬盤驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)，甚至有些可能會(huì)被粘貼在冰箱上。然而，該團(tuán)隊(duì)更感興趣的是稱為反鐵磁體的一種更模糊的磁性材料。

（左圖）被研究材料在鎢（W）和氧化鎂（MgO）層上的橫截面透射電子顯微鏡圖像。（右圖）該材料的俯視圖，插圖中顯示了紅色的錳原子和淺藍(lán)色的錫原子。

“與鐵磁體一樣，反鐵磁體的磁性來自其組成粒子的集體行為，特別是其電子的自旋，類似于角動(dòng)量，”Nakatsuji表示，“這兩種材料都可以通過改變組成粒子的局部組合來編碼信息。然而，反鐵磁體在高速方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，即以這個(gè)速度，以更高的復(fù)雜性為代價(jià)，對(duì)存儲(chǔ)信息自旋狀態(tài)的這些變化進(jìn)行改變。”

Higo表示：“一些自旋電子存儲(chǔ)器已經(jīng)面世。MRAM（磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）已經(jīng)商業(yè)化，在某些情況下可以取代電子存儲(chǔ)器，但它是基于鐵磁開關(guān)的。經(jīng)過大量的試錯(cuò)，我相信我們是第一個(gè)報(bào)告使用與MRAM中作用于鐵磁體的相同方法成功切換反鐵磁性材料Mn3Sn中自旋狀態(tài)的人，這意味著我們已經(jīng)可以讓反鐵磁性物質(zhì)成為一個(gè)簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)設(shè)備。”

該切換方法被稱為自旋軌道轉(zhuǎn)矩（SOT）切換，它在技術(shù)領(lǐng)域引起了人們的興奮。它使用一小部分功率來改變內(nèi)存中位（1或0）的狀態(tài)，盡管研究人員的實(shí)驗(yàn)僅涉及在短短幾毫秒（千分之一秒）內(nèi)切換其Mn3Sn樣本，但他們相信SOT切換可能在皮秒（萬億分之一秒）級(jí)別就能發(fā)生，這將比當(dāng)前最先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)芯片的開關(guān)速度還快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

Nakatsuji表示：“我們之所以能做到這一點(diǎn)，是因?yàn)槲覀兪褂昧霜?dú)特的材料Mn3Sn。事實(shí)證明，以這種方式進(jìn)行研究比使用其他反鐵磁性材料容易得多。”

Higo也表示：“目前還沒有關(guān)于如何制造這種材料的規(guī)則。我們的目標(biāo)是利用分子束外延技術(shù)從錳和錫中制備出純凈、平坦的Mn3Sn晶體。這一過程有許多參數(shù)需要微調(diào)，我們?nèi)栽诟倪M(jìn)這一工藝過程，看看是否有一天該方法會(huì)成為一種工業(yè)方法，并擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。”

編輯：黃飛