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美国利用自旋电子学研发更有效、更高密度的数据存储技术
2020-05-21

【据物理学组织网站2020年5月18日报道】美国纽约大学和IBM研究公司的研究人员展示了一种磁性材料中电子运动的新机制,该机制可能会为增强数据存储指明新的方向。该研究发表于《物理评论快报》,揭示了一种基于电流设定磁信息(或电子自旋)方向的过程。

该研究源于自旋电子学领域,这是一门综合了凝聚态物质和量子物理学等理论的学科。自旋电子学实质上是那些基于电子电荷和自旋原理的电子电气设备的简称。纽约大学的研究人员说:“自旋电子学研究的主要目标之一是控制材料中电子的自旋方向。而我们的研究展示了设定导电材料中电子自旋方向的一种全新的、根本性的机制。”IBM的研究人员补充说:“这项新发现为在磁层上施加扭矩提供了一种新方法。对于降低设备数据存储的能源和空间需求来说可能是一个重要的进步。”

在该研究中,研究人员重点展示了一种将控制电子自旋方向转换成控制存储信息位方向的新机制。根本上来说,这是信息传输核心现象的典型示例:信息被从一种形式转换成另一种形式。例如,移动电话将语音和电子邮件转换为无线电波,无线电波被发送至通信基站,基站再将其转换成电信号,而互联网则将电信号转换为光信号(即光脉冲)进行长距离传输。

在过去,研究人员们已经证明非磁性重金属中的电流流动会导致导体表面电子自旋极化,或净磁矩方向改变,这种效应被称为自旋霍尔效应。然而,自旋霍尔效应中的自旋极化方向总是平行于导体表面。该理论只提供了一个可能的自旋极化轴,限制了存储密度,因而限制了其应用。但是,在该新研究中,研究人员利用铁磁导体中的平面霍尔效应控制了电子自旋极化轴的方向。具体来说,他们部署了一种铁磁导体(铁、镍和钴为典型的铁磁导体),并发现导体中的电流流动可以产生自旋极化,而自旋极化的方向是由其磁矩确定的。这是一项重要的发现,因为可以通过将磁矩方向设置成所需方向,来设置电子自旋极化方向,这种灵活性是非磁性重金属自旋霍尔效应所不可能实现的。研究人员还发现,这些极化的自旋电子会在铁磁层外游走,并导致相邻的非磁性金属中产生纯自旋电流(没有相关电流的自旋电流)。该现象可能会为新一代自旋控制存储器件提供更高密度、更高效的存储器技术。(国家工业信息安全发展研究中心 刘彧宽)

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