控制磁性的创新方法为超低功耗微芯片开辟了道路

该图显示了受电压控制的氢离子（红点）如何迁移通过中间材料以改变相邻磁性层（以绿色显示）的磁性能。图片：由研究人员提供，由麻省理工学院新闻社编辑

一种控制微芯片中磁性的新方法可能会打开内存，计算和传感设备的大门，而这些设备所消耗的功率比现有版本要少得多。该方法还可以克服某些固有的物理限制，这些限制迄今为止一直拖延了该领域的进展。

麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的研究人员证明，他们只需施加很小的电压就可以控制薄膜材料的磁性。研究小组发现，以这种方式进行的磁取向改变保持在新状态，而无需任何持续供电，这与当今的标准存储芯片不同。

这项新发现今天在《自然材料》杂志上发表，该论文由材料科学与工程学教授，麻省理工学院材料研究实验室联合主任杰弗里·比奇（Geoffrey Beach）发表。研究生Aik Jun Tan；以及麻省理工学院和布鲁克海文学院的其他八位。

旋转医生

随着硅微芯片越来越接近基本的物理极限，可以限制其继续提高能力同时降低功耗的能力，研究人员一直在探索各种可能绕过这些极限的新技术。一种有前途的替代方法是一种称为自旋电子学的方法，该方法利用称为自旋的电子性质代替其电荷。

由于自旋电子器件可以保持其磁性，而无需硅存储芯片所需的恒定功率，因此它们需要的功率要少得多。它们产生的热量也少得多，这是当今设备的另一个主要限制因素。

但是自旋电子学技术有其自身的局限性。缺少的最大成分之一是一种通过施加电压轻松快速地电气控制材料磁性能的方法。世界各地的许多研究小组一直在应对这一挑战。

先前的尝试是使用类似于电容器的器件结构，依靠电子在金属磁体和绝缘体之间的界面处积累。电荷可以改变材料的磁性能，但只能改变很小的量，这使其无法在实际设备中使用。还尝试了使用离子代替电子来改变磁性。例如，氧离子已被用于氧化磁性材料的薄层，从而引起磁性能的极大变化。但是，氧离子的插入和去除会导致材料膨胀和收缩，从而导致机械损坏，从而将过程限制为仅重复几次，从而使该过程对计算设备几乎无用。

通过使用氢离子代替先前尝试中使用的大得多的氧离子，新发现证明了解决该问题的方法。研究人员说，由于氢离子可以很容易地拉入和拉出，因此新系统速度更快，并具有其他显着优势。

由于氢离子非常小，因此氢离子可以进入自旋电子器件的晶体结构并从中退出，每次改变其磁取向而不会损坏材料。实际上，该团队现已证明，该过程在超过2,000个循环后不会使材料降解。而且，与氧离子不同，氢可以轻松地穿过金属层，这使团队可以控制设备深处的层的特性，而这些特性是无法以其他任何方式控制的。

Tan说：“当将氢泵向磁体时，磁化强度会旋转。”“实际上，您可以通过施加电压将磁化方向切换90度，而且它是完全可逆的。”由于磁体的磁极方向用于存储信息，因此这意味着可以利用这种效应轻松地在自旋电子设备中写入和擦除数据“位”。

比奇（Beach）的实验室几年前发现了通过氧离子控制磁性的原始过程，他说，最初的发现对被称为“磁性离子”的新领域进行了广泛的研究，而如今，这一最新发现“已经扭转了整个领域的局面。 ”

明尼苏达大学化学工程和材料科学系杰出的麦克奈特大学教授克里斯·莱顿说：“这确实是一个重大突破。”“目前，仅通过施加电压即可控制磁性材料，这引起了全世界的广泛兴趣。这不仅从根本上很有趣，而且对于使用磁性材料存储和处理数字信息的应用程序来说，也是潜在的游戏规则改变者。”

莱顿说：“使用氢的插入来控制磁场并不是什么新鲜事物，但是能够以电压驱动的方式在固态设备中做到这一点，并且对磁性能产生了很好的影响-相当重要！”他补充说：“这是新事物，有可能开拓其他新的研究领域。… 归根结底，通过逐个翻转开关来控制任何类型的材质功能都非常令人兴奋。一般而言，能够在足够的周期内足够快地执行此操作，对于科学和工程学来说将是一个了不起的进步。”

Beach解释说，从本质上讲，他和他的团队正在“尝试制造晶体管的磁性模拟物”，该模拟物可以反复打开和关闭而不会降低其物理性能。

就加水

这一发现部分是出于偶然性。Tan在研究分层磁性材料以寻找改变其磁性行为的方法时，发现他的实验结果每天变化很大，原因不明。最终，通过检查不同测试中的所有条件，他意识到关键的区别在于空气中的湿度：与干燥天相比，该实验在潮湿天下的效果更好。他最终意识到，原因是空气中的水分子在材料的带电表面上被分解成氧气和氢气，并且当氧气逸出到空气中时，氢气被电离并渗透到磁性设备中-并改变其磁性。

团队生产的设备由几层薄薄的三明治组成，其中包括发生磁性变化的钴层，被夹在金属层（如钯或铂）之间，并覆盖有氧化g，然后金层连接到驱动电压。

只需短暂施加电压即可切换磁性，然后保持不变。反转它根本不需要电源，只需将设备短路以将其两侧电连接，而传统的存储芯片则需要恒定的功率来维持其状态。“由于您只是施加脉冲，因此功耗会大大降低，”比奇说。

比奇说，这些新设备具有低功耗和高切换速度，最终可能最终对诸如移动计算之类的设备特别有用，但是这项工作仍处于初期阶段，需要进一步的开发。

他说：“我可以在几年或更短的时间内看到基于实验室的原型。”他说，制造一个完整的工作存储单元“相当复杂”，可能需要更长的时间。

这项工作得到了美国国家科学基金会通过材料研究科学与工程中心（MRSEC）计划的支持。

出版物：Aik Jun Tan等，“使用固态质子泵的磁离子控制磁性”，《自然材料》（2018年）