新突破可能导致即时启动计算机

康奈尔大学的工程师使用室温磁电存储设备取得了突破，可能会导致即时启动计算机。

纽约州伊萨卡市–为了对数据进行编码，当今的计算机存储技术使用电流-电流是可靠性和可收缩性的主要限制因素，也是造成大量功耗的原因。如果可以不用电流对数据进行编码（例如，通过在绝缘子上施加电场），则将需要更少的能量，并使诸如低功耗，即时计算之类的事情无处不在。

康奈尔大学的一个团队由博士后研究员John Heron带领，他与材料科学与工程系的工业化学教授Darrell Schlom和艺术与科学学院的物理学教授Dan Ralph共同工作。室温磁电存储器件在这一方向上取得了突破。它相当于一台计算机，展现出下一代非易失性存储器的圣杯：磁性切换，分两步进行，只需要一个电场即可。他们的研究结果以及相关的“新闻与观点”文章于12月17日在线发表在《自然》杂志上。

“这里的优势是能耗低，” Heron说。“它需要一个低电压，无电流的开关。使用电流的设备消耗更多的能量，并以热量的形式耗散大量的能量。这就是使计算机发热并耗尽电池的原因。”

研究人员用一种名为铋铁氧体的化合物制成了这种装置，这种材料在材料专家中非常受欢迎，因为它具有罕见的特质：它既是磁性的，就像冰箱的磁铁一样，它有自己的永久性局部磁场；还有铁电的，这意味着它始终是电极化的，并且可以通过施加电场来切换极化。这种所谓的铁质材料通常是一种或另一种，很少是两者，因为驱动这两种现象的机理通常相互冲突。

这种结合使其成为一种“多铁性”材料，这是近十年来一直受到关注的一类化合物。论文的共同作者，苍鹭博士Ramamoorthy Ramesh加州大学伯克利分校的顾问于2003年首次表明，铋铁氧体可以生长为极薄的薄膜，并且与块状铋相比，可以表现出增强的性能，从而点燃了其与下一代电子产品的相关性。

由于铋铁氧体是多铁性的，因此可以用于具有相对简单几何形状的非易失性存储设备。最好的部分是它可以在室温下工作。其他科学家，包括施洛姆（Schlom）的研究小组，在竞争性材料中也表现出了相似的结果，但是在难以想象的低温下，例如4开尔文（-452华氏度）–并非完全用于工业。施洛姆说：“物理学令人兴奋，但缺乏实用性。”

该团队的一个关键突破是理论化并通过实验实现了铋铁氧体器件中转换的动力学。他们发现切换过程分两个不同的步骤进行。施洛姆说，单步切换是行不通的，因此理论家以前认为他们取得的成就是不可能的。但是，由于切换是分两个步骤进行的，因此铋铁氧体在技术上是相关的。

这种多铁性装置似乎还需要比其主要竞争对手低一个数量级的能量，这种现象称为自旋传递转矩，拉尔夫（Ralph）也研究了这种现象，并且利用了不同的物理原理进行磁开关。自旋转移扭矩已经在商业上使用，但仅在有限的应用中使用。

他们有一些工作要做。一方面，他们只制造了一个设备，而计算机内存涉及数十亿个此类设备的阵列。他们也需要提高其耐用性。但就目前而言，证明这一概念是朝着正确方向迈出的一大步。

施洛姆说：“自从多铁磁性材料在2000年左右恢复使用以来，一直在室温下实现磁性的电气控制一直是我们的目标。”

论文“使用电场在室温下铁磁性的确定性转换”包括来自康涅狄格大学的合作者。加州大学伯克利分校；清华大学瑞士苏黎世联邦理工学院。这项研究得到了美国国家科学基金会和康奈尔大学纳米级科学Kavli研究所的支持，Ralph和Schlom都是其中的一员。

出版物：J. T. Heron等人，“使用电场在室温下确定性地切换铁磁性”，《自然》 516，370–373（2014年12月18日）； doi：10.1038 / nature14004

图像：Shutterstock的金属银色电源按钮