数据存储革命：3D超材料和微小磁泡如何改变一切

研究人员使用3D超材料将比特序列存储在圆柱形磁畴中。这一创新可能会改变数据存储和磁电子学。

研究人员首次证明，不仅仅是单个比特，而是整个比特序列都可以存储在圆柱形域中：直径约为100纳米的微小圆柱形区域。正如研究小组在《高级电子材料》杂志上报告的那样，这些发现可能为新型数据存储和传感器铺平道路，甚至包括神经网络的磁性变体。

突破性的磁存储

“圆柱形域，我们物理学家也称之为气泡域，是薄磁层中的一个微小的圆柱形区域。它的自旋，即电子产生材料磁矩的固有角动量，指向一个特定的方向。这就产生了一种不同于其他环境的磁化强度。想象一下，一个小的圆柱形磁泡漂浮在相反磁化的海洋中，”来自赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫离子束物理与材料研究所的奥拉夫·赫尔维格（Olav Hellwig）教授描述了他的研究课题。他和他的团队相信，这种磁性结构在自旋电子应用方面具有巨大的潜力。

域墙和数据密度

畴壁形成在这个圆柱形畴的边缘，磁化方向改变的边缘区域。在赫尔维格的团队正在努力实现的磁存储技术中，精确控制畴壁中的自旋结构将是至关重要的，因为其顺时针或逆时针方向可以直接用于比特编码。

研究人员还关注另一个方面：“我们目前的硬盘，其磁道宽度为30到40纳米，位长度为15到20纳米，在邮票大小的表面上容纳大约1TB的数据。我们正在努力通过将存储扩展到第三维度来克服这种数据密度限制。”

解决方案：3D超材料

磁性多层结构是控制畴壁内部自旋结构的一种有吸引力的方法，因为所涉及的磁能可以通过组合不同的材料和层厚度来调节。赫尔维格的团队使用钴和铂交替层的块，由钌层隔开，并将它们沉积在硅晶片上。

由此产生的超材料是一种人工合成的反铁磁体。它的特点是垂直磁化结构，相邻的层块具有相反的磁化方向，导致整体净磁化强度为中性。

赛马场存储器和多层结构

“这就是‘赛马场’记忆概念的由来。这个系统就像一个赛马场，沿着赛马场排列的比特就像一串珍珠。我们系统的巧妙之处在于我们可以特别地控制层的厚度，从而控制它们的磁性。这使我们能够调整合成反铁磁体的磁性行为，不仅可以存储单个比特，还可以存储整个比特序列，以与畴壁深度相关的磁化方向的形式，”赫尔维格解释说。

这为沿着这些磁性数据高速公路以可控、快速和节能的方式传输此类多比特圆柱体域开辟了前景。

磁电子学的未来应用

在磁电子学中也有其他应用的潜力。例如，它们可用于磁阻传感器或自旋电子元件。此外，这种复杂的磁性纳米物体在神经网络中具有巨大的磁性实现潜力，可以像人脑一样处理数据。

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