磁性顆粒可能會導致全新的資料存儲形式

新的研究表明,一種奇特的磁行為發現僅僅幾年前擁有更大的潛力作為存儲資料的方法,可以克服一個基本限制,否則可能會結束信號“摩爾定律”,它描述了幾十年來持續改進計算和資料存儲。

而不是通過改變表面磁化粒子的方向來讀取和寫入資料，正如今天的磁片所做的那樣，新系統將利用磁性方向上的微小擾動，這被稱為“skyrmions”。 “這些虛擬粒子，出現在一個薄膜上，夾在不同金屬的薄膜上，可以通過電場操縱和控制，而且可以在不需要進一步能量輸入的情況下存儲長時間的資料。 ”

2016年，麻省理工學院材料科學與工程學院副教授傑佛瑞·比奇(Geoffrey Beach)領導的一個團隊記錄了skyrmions的存在，

但其表面的粒子位置完全是隨機的。現在， Beach已經與其他一些人合作，首次在實驗上演示了他們可以在特定位置上創建這些粒子，這是在資料存儲系統中使用它們的下一個關鍵需求。一個有效的資料讀取系統也需要創建一個可商業化的系統。

這項新發現發表在本周的《自然納米技術》雜誌上，在一篇由海灘、麻省理工學院博士後Felix Buettner和研究生Ivan Lemesh撰寫的論文中，還有10位在麻省理工學院和德國的學生。

該系統聚焦於磁極指向一個方向的原子之間的邊界區域，以及指向另一個方向的極點。這個邊界區域可以在磁性材料中來回移動， Beach說。他和他的團隊四年前發現的是，這些邊界區域可以被放置在磁性層附近的第二張非磁性重金屬。而非磁性層則可以影響磁性層，非磁性層中的電場在磁性層中推動磁疇。在這些層中， Skyrmions是一些小漩渦，海灘補充道。

要想在特定地點創造出skyrmions的關鍵在於物質上的缺陷。

研究小組發現，通過在磁性層中引入一種特殊的缺陷， skyrmions被固定在表面的特定位置上。這些帶有故意缺陷的表面可以被用作在skyrmions中編碼的資料的可控制的書寫表面。研究小組意識到，這種材料的缺陷非但沒有成為一個問題，反而是有益的。

Beach說， “最大的缺失部分”需要讓skyrmions成為一個實際的資料存儲介質，這是一種可靠的方法，可以在需要的時候創建它們。 “所以這是一個重大的突破， ”他解釋道，多虧了比特納和萊梅什的工作，這篇論文的主要作者。 “他們發現的是一種非常快而有效的方式來書寫這樣的陣形。 ”

因為這些天電光，基本上都是磁性的小渦流，對外界的擾動非常穩定，不像傳統磁存放裝置上的磁極，

資料只能存儲在磁性表面的一個很小的區域——可能只有幾個原子。這意味著可以將更多的資料寫入一個給定大小的表面。這是一個重要的品質， Beach解釋說，因為傳統的磁性系統現在已經達到了其材料基本物理的極限，這可能會導致停止穩定的儲存能力的提高，這是摩爾定律的基礎。他說，新系統一旦完善，就可以提供一種方法，繼續朝著更密集的資料存儲方向發展。

該系統還可能以極高的速度對資料進行編碼，這使得它不僅能作為磁性媒體(如硬碟)的替代品，而且還能用於隨機存取記憶體(RAM)中用於計算的更快的記憶體系統。

但是，仍然缺乏的是一種有效的方法來讀出存儲後的資料。現在可以使用複雜的x射線磁性光譜學，

但這需要設備太複雜和昂貴，而不是實際的電腦存儲系統的一部分。研究人員計畫探索更好的方法，將資訊取出來，這在規模上是可行的。

x射線攝譜儀“就像一個沒有透鏡的顯微鏡， ”Buettner解釋說，因此圖像是通過收集的資料進行數學重建的，而不是用透鏡來彎曲光束。他說， x射線的鏡片存在，但它們非常複雜，每只需要花費4萬到5萬美元。

但是，可以使用另一層添加到其他層的金屬層來替代讀取資料的方法。通過在添加的層上創建一個特定的紋理，可能可以檢測到層的電阻的不同，這取決於一個skyrmion是否存在於相鄰的層。 “毫無疑問，這是可行的， ”Buettner說，這只是一個計算所需的工程開發的問題。這個團隊正在研究這個和其他可能的策略來解決這個問題。

該團隊還包括在柏林的Max Born Institute和光學和原子物理研究所的研究人員;德國烏爾姆大學醫學與計量研究所雷射技術研究所;而在漢堡的德國Elektroniken-Syncrotron(DESY)。這項工作得到了美國能源部和德國科學基金會的支持。