科技日報記者?張夢然

德國亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心、開姆尼茨工業大學、德累斯頓工業大學和于利希工業中心聯合團隊合作開發出一種超材料，材料中的圓柱域不僅可存儲單個比特，還可存儲整個比特序列。發表在最新《先進電子材料》的這一成果，為研發新型數據存儲和傳感器、神經網絡的磁性變體鋪平道路。

信息存儲在位于圓柱疇及其周圍環境之間的疇壁中。疇壁的這種磁化可順時針或逆時針指向各個塊，這些塊由釕層垂直隔開。通過系統地改變這些方向，研究人員可在圓柱域內編碼不同的比特序列，圖示為概念解釋。
圖片來源：亥姆霍茲-德累斯頓-羅森多夫中心

圓柱域在物理學上是薄磁層中的一種微小圓柱形區域。它的自旋（即在材料中產生磁矩的電子固有角動量）指向一個特定方向，會產生與其余部分不同的磁化強度。這在自旋電子學領域有巨大應用價值。

而疇壁是相關應用中又一個關鍵概念，它是磁性材料中相鄰磁疇之間的過渡區域。在當前試圖實現的磁存儲技術中，精確控制疇壁中的自旋結構至關重要，因為它的順時針或逆時針方向可直接用于編碼比特。目前的硬盤軌道寬度為30—40納米，比特長度為15—20納米，在郵票大小的表面上可容納大約1TB數據。團隊試圖通過將存儲擴展到三維，來克服這種數據密度限制。

磁性多層結構是控制疇壁內自旋結構的一種有潛力的方法。團隊此次使用了鈷和鉑交替層塊，由釕層隔開，并將它們沉積在硅晶片上。由此產生的超材料，是合成的反鐵磁體。它的特點是垂直磁化結構，其中相鄰的層塊具有相反的磁化方向，從而使整體磁化呈現凈中性。

新系統的巧妙之處在于，人們可專門控制層的厚度，從而控制它們的磁性。這使研究團隊能調整合成反鐵磁體的磁性行為，使整個比特序列都可存儲在尺寸僅為100納米左右的微小圓柱域，而不像以往僅僅單個比特。

該成果開辟了一個很有前景的應用方向：人們將以可控、快速和節能的方式，沿著這些磁性數據高速公路進行信息傳輸。

總編輯圈點：

本文的新材料之所以別具潛力，是因為它屬于一種磁性多層結構，可以通過組合不同的材料和層厚來調整磁能。這就讓科學家能自如控制合成反鐵磁體的磁性。其不僅僅為更高效數據存儲提供了新概念，還將在磁電子學中發揮潛力，譬如開發出全新磁阻傳感器或自旋電子的元件。而未來的神經網絡，同樣需要復雜的磁性納米體，從而實現像人腦一樣處理數據。