接近太赫兹范围：室温量子磁体每秒切换状态数万亿次

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反铁磁结的高分辨率透射电子显微镜图像显示了不同材料的层（左）。显示材料磁性的图表（右）。信用
©2023 Nakatsuji 等人。

摘要：
一类称为 MRAM 的非易失性存储设备基于量子磁性材料，可以提供比当前最先进的存储设备高出千倍的性能。被称为反铁磁体的材料之前被证明可以存储稳定的记忆状态，但很难从中读取。这项新研究为读取内存状态铺平了一条有效的道路，并且有可能以令人难以置信的速度完成。

接近太赫兹领域：室温量子磁体每秒切换状态数万亿次

日本东京| 发表于20年2023月XNUMX日

你大概每秒可以眨眼四次。您可以说这种闪烁频率是 4 赫兹（每秒周期数）。想象一下，尝试以每秒 1 亿次或 1 GHz 的频率眨眼，这对人类来说在物理上是不可能的。但这是当代高端数字设备（如磁存储器）在执行操作时切换其状态的当前数量级。许多人希望将边界再推进一千倍，进入每秒一万亿次或太赫兹的范围。

实现更快存储设备的障碍可能是所使用的材料。当前的高速 MRAM 芯片还没有普遍出现在您的家用计算机中，它使用典型的磁性或铁磁性材料。这些是使用称为隧道磁阻的技术读取的。这需要铁磁材料的磁性成分平行排列。然而，这种布置会产生强磁场，从而限制存储器的读取或写入速度。

东京大学物理系的 Satoru Nakatsuji 教授说：“我们已经取得了突破这一限制的实验性突破，这要归功于一种不同的材料，即反铁磁体。” “反铁磁体在很多方面都不同于典型的磁铁，但特别是，我们可以以平行线以外的方式排列它们。这意味着我们可以抵消平行排列产生的磁场。人们认为铁磁体的磁化对于隧道磁阻从内存中读取是必要的。然而，令人惊讶的是，我们发现一类没有磁化的特殊反铁磁体也是可能的，并且希望它能够以非常高的速度运行。”

Nakatsuji 和他的团队认为太赫兹范围内的开关速度是可以实现的，而且这在室温下也是可能的，而之前的尝试需要更冷的温度并且没有产生如此有希望的结果。不过，为了改进其想法，该团队需要改进其设备，而改进其制造方式是关键。

“虽然我们材料的原子成分相当熟悉——锰、镁、锡、氧等——但我们将它们结合起来形成可用记忆成分的方式是新颖且不熟悉的，”研究员 Xianzhe Chen 说。 “我们在真空中生长晶体，使用分子束外延和磁控溅射这两种工艺，形成极其精细的层。真空度越高，我们可以培养的样品就越纯净。这是一个极具挑战性的过程，如果我们改进它，我们将使我们的生活更轻松，并生产出更有效的设备。”

这些反铁磁存储设备利用了一种称为纠缠或远距离相互作用的量子现象。但尽管如此，这项研究与日益知名的量子计算领域并无直接关系。然而，研究人员表示，这样的发展对于在当前的电子计算范式和新兴的量子计算机领域之间架起一座桥梁可能是有用的，甚至是必不可少的。

资金：
这项工作得到了 JST-Mirai 计划（编号 JPMJMI20A1）、ST-CREST 计划（编号 JPMJCR18T3、JST-PRESTO 和 JPMJPR20L7）和 JSPS KAKENHI（编号 21H04437 和 22H00290）的部分支持。

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