電磁突破可以降低功耗，提高數(shù)字存儲(chǔ)器的速度

電磁突破可以降低功耗，提高數(shù)字存儲(chǔ)器的速度。克里斯蒂安·比內(nèi)克（Christian Binek）說，“達(dá)到這一點(diǎn)是一個(gè)非常痛苦的過程。”

由Binek，Peter Dowben和Alexei Gruverman領(lǐng)導(dǎo)的內(nèi)布拉斯加州大學(xué)林肯分校尋求Binek所稱的“圣杯”：一種量子材料，其磁態(tài)可以僅通過電手段改變，并且在高于室溫的條件下。

在化學(xué)雜質(zhì)和更少的頓悟的幫助下，該團(tuán)隊(duì)精心設(shè)計(jì)了能夠做到這一點(diǎn)的納米材料和微觀結(jié)構(gòu)。正如Binek所看到的那樣，這種材料含少量雜質(zhì)的氧化鉻，可以預(yù)示著數(shù)字存儲(chǔ)器和處理器的出現(xiàn)，這些存儲(chǔ)器和處理器的耗電量遠(yuǎn)低于現(xiàn)代同類產(chǎn)品，而運(yùn)行速度甚至可能更快。

氧化鉻屬于一種專有的材料，具有一種稱為反鐵磁性的現(xiàn)象。

任何磁性材料中的原子都像微小的條形磁鐵一樣工作，每個(gè)磁鐵都有一個(gè)北極和一個(gè)南極。傳統(tǒng)上被認(rèn)為是磁性的大多數(shù)材料實(shí)際上都是鐵磁性的，每個(gè)原子的磁極指向相同的方向以產(chǎn)生易于測量的磁場。

相反，反鐵磁體具有交替排列的原子列，這些原子的極點(diǎn)指向相反的方向（例如，上下-上下-上下），并且彼此有效地抵消，從而幾乎不產(chǎn)生磁場。

簡化的動(dòng)畫演示了在鐵磁和反鐵磁材料中如何發(fā)生磁轉(zhuǎn)換。內(nèi)布拉斯加州研究人員開發(fā)的反鐵磁材料的切換速度可能比動(dòng)畫快10萬億倍，這使其速度比傳統(tǒng)鐵磁材料的切換速度快約10倍。

可以切換鐵磁體和反鐵磁體的內(nèi)部磁狀態(tài)，以對二進(jìn)制數(shù)據(jù)的1和0進(jìn)行編碼。但是由于多種原因，反鐵磁體特別吸引電子工程師。它們?nèi)狈ν獠看艌?，消除了?shù)字組件相互干擾的機(jī)會(huì)。許多設(shè)備（包括氧化鉻）自然地與數(shù)字設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的窒息熱量隔絕。

它們的內(nèi)部磁性不僅可以通過外部磁場來切換，還可以通過電場來切換，后者需要的功率大大降低，并且避免了討厭的干擾問題。

盡管氧化鉻在承受熱量和切換磁性狀態(tài)方面是最有力的支持者，但實(shí)際上卻失去了超過華氏93度的反鐵磁性，也失去了被電場操縱的意愿。

假設(shè)您想考慮將存儲(chǔ)設(shè)備帶到CPU附近的任何地方。您無法承受設(shè)備在93度時(shí)喪失所有功能的負(fù)擔(dān)。

為了解決不那么小的問題，Binek和他的同事們首先采用了一種方法，該方法包括創(chuàng)建納米級的反鐵磁材料薄層-氧化鉻，并在其上面涂上鐵磁材料。他們的邏輯是正確的：使用電場來決定反鐵磁體的狀態(tài)，然后會(huì)改變其上方的鐵磁體的磁性，然后會(huì)產(chǎn)生可被讀取為1或0的磁特征。該方法提高了溫度閾值，這本身就是一項(xiàng)重大成就。即使如此，該團(tuán)隊(duì)仍必須施加耗能的磁場。

保持鐵磁體與反鐵磁體耦合的力太弱了。因此我們被迫嘗試其他嘗試。最終使我們受益匪淺。

那是要完全擺脫上面的鐵磁體。研究小組發(fā)現(xiàn)，僅反鐵磁體就產(chǎn)生了足夠的表面水平磁信號（由其原子磁體重新定向90度而不是通常的180度產(chǎn)生），可以作為一點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取。

它可以在最高華氏260度的高溫下工作。它僅通過施加電壓即可工作，而無需外部磁場的幫助。不僅如此：相同的力量弱點(diǎn)使團(tuán)隊(duì)以前的方法受挫，這也使得切換反鐵磁體的內(nèi)部磁性方向變得更加容易。與該團(tuán)隊(duì)合作的理論物理學(xué)家估計(jì)，轉(zhuǎn)換可能發(fā)生的時(shí)間僅為100皮秒，比典型的鐵磁材料所需的納秒速度快約10倍。

反轉(zhuǎn)鐵磁體的磁化所需的時(shí)間是設(shè)備的限制因素。納秒聽起來很快速，但是對于現(xiàn)代設(shè)備而言，它太慢了。我們不再需要鐵磁體這一事實(shí)意味著現(xiàn)在也消除了這個(gè)問題。

Binek表示，預(yù)計(jì)的100皮秒速度如何轉(zhuǎn)換為實(shí)際設(shè)備尚不確定，但這是一個(gè)令人鼓舞的早期信號。不管它實(shí)際上是否比鐵磁體更快地存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，它在節(jié)能方面的主要優(yōu)勢都使其成為通常不受電源束縛的設(shè)備的主力軍。

采用物聯(lián)網(wǎng)，指的是具有WiFi功能的設(shè)備。如果您希望對象具有內(nèi)存，那么您就想以低能耗來做所有事情，并且有可能在不忘記系統(tǒng)所處狀態(tài)的情況下將其關(guān)閉。在我們的案例中，這也可以實(shí)現(xiàn)。

該小組最近在《自然通訊》雜志上報(bào)告了其發(fā)現(xiàn)。Binek，Dowben和Gruverman與內(nèi)布拉斯加州的Ather Mahmood，Will Echtenkamp，Mike Street，Wang-Lei Wang，Shi Cao，Takashi Komesu，Pratyush Buragohain和Haidong Lu以及紐約大學(xué)的Arun Parthasarathy和大學(xué)的Shaloo Rakheja共同撰寫了該研究伊利諾伊州香檳分校的地址。

研究人員得到了陸軍研究辦公室的部分支持；國家科學(xué)基金會(huì)，該基金會(huì)資助內(nèi)布拉斯加州的材料研究科學(xué)與工程中心；以及內(nèi)布拉斯加州研究計(jì)劃。樣品是在內(nèi)布拉斯加州材料與納米科學(xué)中心和內(nèi)布拉斯加州納米規(guī)模的工廠制造的。
編輯：lyn