新的数据解码方法可以带来更快、更小的数字技术作者：Scott Schrage， 内布拉斯加大学林肯分校一个简化的动画，说明了铁磁和反铁磁材料中的磁切换是如何发生的。信用：斯科特施拉格| 大学传播大多数科学家会对被贴上自旋医生的标签感到茫然。但说到 Evgeny Tsymbal、Ding-Fu Shao 和他们的同事，实验室外套很合身。内布拉斯加大学林肯分校的物理学家已经站在自旋电子学的前沿，这是一种下一代数据存储和处理技术，有望补充统治高科技领域数十年的数字电子学。

然而，在那个未来之前，会出现纳米级障碍，其大小掩盖了他们的困难。有了美国国家科学基金会 2000 万美元的资助，物理学家们可能正在努力克服一个特别棘手的问题：在混乱中寻找秩序，在看似混乱中寻找数据。除了这个障碍之外还有两个奖品，密度和速度，这可能会使现代设备事后看起来像贪吃和懒惰。

数字微调器

电子设备通过测量流过其电路的电子的电荷来读取和说出二进制语言——1 和 0。自旋电子学的不同之处在于测量电子的自旋：一种与磁性相关的特性，基本上指向上或下。精通两种二进制方言的设备可以以更快的速度存储和处理更多的数据，而功耗却比纯电子设备低得多。

迄今为止，大多数电子和自旋电子存储器都依赖于铁磁体，这种具有永久磁场的类型可能以将照片固定在冰箱上而闻名。在铁磁体中，每个原子的自旋都指向同一个方向，这个方向可以通过施加外部磁场来切换。

这些特性使它们在所谓的隧道结中很受欢迎，其中两个铁磁体夹在绝缘势垒周围，电子“隧道”穿过该势垒以在铁磁体之间移动。如果电子的自旋与铁磁体的自旋方向相匹配，则电子几乎不会遇到阻力，从而增加其隧穿的可能性。当这些自旋不匹配时，几率会直线下降，从而大大减少了电流的整体流动。这两种状态之间的差异称为磁阻效应，可以理解为 1 与 0。

因为除了铁磁体的作用外，它们的堂兄弟——反铁磁体——更有前景。反铁磁体包含交替的原子列，这些原子列的自旋指向相反的方向，这意味着它们几乎不产生净磁场。没有磁场意味着隧道结没有机会干扰邻居的磁性状态，允许工程师将更多数据存储元件装入一个设备中，而不必担心它们会破坏彼此的数据。Tsymbal 说，如果下一代设备需要速度，反铁磁体将再次成为选择。铁磁体的自旋可以在几纳秒内切换。这似乎很快，直到意识到半导体可以在皮秒范围内运行——皮秒到一秒就像一秒到 31,710 年一样——或者大约比铁磁体可以切换的速度快 1,000 倍。与此同时，反铁磁体可以跟上步伐，为它们在更快的设备中占据一席之地而自豪。

只是一个小问题：在反铁磁体中编码或解码数据有点像试图用干涸的笔书写或破译幼儿的涂鸦。

“困难——也是一个重大困难——是如何书写和阅读信息，”乔治霍姆斯大学物理学和天文学教授 Tsymbal 说。

Tsymbal 说，在一种情况下充当专业人士的相同反铁磁特性 - 缺乏防止数据损坏的净磁场 - 在实际记录数据时变成了一个骗局。在铁磁体中写入 1 或 0 是通过另一个磁场翻转其自旋方向或磁化的简单问题。这在反铁磁体中是不可能的。

虽然读取铁磁体的自旋状态同样简单，但要区分反铁磁体的自旋状态（上下与向下）并不容易，因为两者都不会产生净磁化，从而在电子流中产生可辨别的差异. 总之，这些事实阻碍了开发具有实际设备实际用途的反铁磁隧道结的努力。

“所以这是问题之一，”Tsymbal 说。“但我认为我们已经提出了一个非常非常好的方法来解决这个问题。”

从上往下说

原则上，反铁磁隧道结的工作原理应该有点类似于铁磁隧道结。反铁磁版本不是通过改变铁磁体的整体磁化来调节电子流，而是依赖于修改所谓的 Néel 矢量：自旋沿其指向一个方向或另一个方向的轴。

但是只有特定类型的反铁磁体适合检测电子流中与自旋相关的差异，这是由隧道结两端的 Néel 矢量之间的不匹配驱动的。那些反铁磁体的秘密？自旋向上或自旋向下的电子将主要通过动量特定通道流动。

Tsymbal、Shao 及其同事将氧化钌确定为这样一种反铁磁体。他们指出另一种材料二氧化钛作为电子可以穿过的屏障。至关重要的是，两种相应氧化物的原子形成相同的晶体结构，从而实现无缝匹配，使电子在材料之间移动时保持其动量和动量相关的自旋。

通过将这些动量纳入对产生的电流的分析中，Husker 团队表明可以区分通道，从而区分它们对不同 Néel 向量的响应。根据该团队的计算，这种特定于通道的磁阻效应在量级上与铁磁隧道结产生的磁阻效应相似——这标志着它是一种特别有前途的写入自旋电子数据的方法，这些数据也可以读取。

正如理论家过去所做的那样，Tsymbal 正在与威斯康星大学麦迪逊分校的 Chang-Beom Eom 和其他可以制造和测试反铁磁隧道结的实验家合作。他和内布拉斯加州材料与纳米科学中心的同事也在忙于考虑其他具有氧化钌不寻常但并非独特特性的材料。

“具有这种特性的反铁磁体并不多，但其中有一些，”Tsymbal 说。“而且我们将来也会研究这些材料。”

该团队在《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。