涡旋：新的磁性状态可以模拟生物突触，改善数据存储

研究人员开发了电压控制的“涡旋”，用于节能数据存储，模仿生物突触用于神经形态计算。

据估计，每天产生2.5万亿字节的数据，需要高效的数据存储解决方案。

研究人员现在已经开发出一种电压控制的磁存储器，作为一种节能的替代品。这项由巴塞罗那大学Autònoma （UAB）的科学家领导的研究引入了一种新的磁性状态，称为磁离子涡旋，或“涡旋”。

现代数据存储依赖于磁性材料来存储数据，将信息编码在材料中原子的磁矩上。磁矩就像指南针，可以指向两个方向，代表比特（0或1）。

磁矩方向被操纵并读取，以利用电流存储和检索数据。这会产生大量的热量，导致显著的功率损失。

涡旋通过使用电压而不是电流来控制磁矩来解决这个问题。

涡旋是如何工作的？

磁涡流是一种漩涡状的磁性结构，用于数据存储。这些涡流能够在磁矩中存储数据。

然而，研究人员没有像以前的研究那样使用连续的薄膜，而是使用了纳米点。这些是比人类头发宽度还小的微小圆形结构，可以精确控制每个磁矩。

纳米点由铁钴氮（FeCoN）制成。最初，这些纳米点是顺磁性的，这意味着它们对磁场的反应不强烈。

然而，当通过底部的电极施加负电压时，它会产生一个电场，将带负电荷的氮离子从材料中驱动到周围的电解质中。

这将使材料转变为铁磁体，这意味着铁和钴原子现在可以根据磁场调整它们的磁矩。

这里的关键是氮离子从材料中迁移的方式。它们的运动从纳米点的底部（最靠近电极的地方）开始，然后向上进行，从下向上形成一个不断增长的铁磁层。

随着铁磁层的增厚，磁矩自发地排列成旋涡状态，由围绕中心核心旋转的磁矩组成。研究人员将这种结构命名为涡旋，它可以精确、高效地控制磁性。

精确控制磁性能

涡旋的磁性不是固定的。施加的电压越长，移出的离子越多，磁层就越厚。

为了测试其形成后的磁性，研究人员施加了不同强度的外部磁场。他们发现，施加电压的时间会产生可测量的、明显的磁性差异。

这些属性包括：

磁化强度：涡旋的磁化强度

涡流稳定性：施加电压后涡流形成和消失所需的时间

矫顽力：磁性状态对外部磁场改变的抵抗程度

研究人员展示了对这些磁性的前所未有的控制。他们发现，这些特性可以用电压而不是电流可逆地调节。

最重要的是，它们可以在不同的磁性状态之间切换 —— 从非磁性到均匀磁性再到涡旋状态 —— 只需控制施加电压的时间。

每种磁性都能以多种状态保存信息。例如，如果研究人员可以通过精确控制电压施加时间来可靠地区分8种不同的磁化强度，那么单个纳米点就可以有效地存储8种不同的值（而不仅仅是0或1）。

“电压驱动程序，而不是使用电流，防止设备加热，如笔记本电脑，服务器和数据中心。它大大减少了能量损失，”该研究的第一作者Irena spasojeviki博士在一份新闻稿中指出。

模仿生物突触

也许最令人兴奋的是这种涡旋有可能模仿生物突触，即大脑中神经元之间的连接。

就像突触在学习过程中有不同的强度或权重一样，涡旋提供了可调的磁性，可以作为神经形态计算系统中可调的权重。

研究人员设想将这些涡流整合为神经网络中的动态突触。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

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