[据每日科学网站2018年5月3日报道] 磁性材料是现代数字信息技术的基础，例如硬盘存储。美国华盛顿大学领导的研究团队通过使用厚度仅为几个原子层的磁体编码信息，将这一技术进一步发展。这一突破可能实现更高密度的数据存储并提高能源效率，从而彻底改变云计算技术和消费电子产品。

该研究成果于5月3日发表在《科学》杂志。研究人员称，他们使用了超薄材料，根据电子自旋的方向实现对电流前所未有的控制—电子“自旋”类似于微小，亚原子磁体。他们使用的材料包括层状三碘化铬（CrI3），这种材料在2017年被证实是首个二维磁性绝缘体。研究人员使用四层材料—每层只有原子厚度—创造了最薄的系统，可以根据电子的自旋阻挡电子，同时发挥比其他方法强10倍以上的控制作用。

“我们的工作揭示了将基于磁性技术的信息存储推向原子级极限的可能性。”该论文的共同作者，物理学博士生Tiancheng Song说。

研究小组根据《自然纳米技术》4月23日发表的相关研究，找到了控制这种原子级薄磁体磁性的方法。

“信息爆炸性增长带来的挑战是如何提高数据存储密度，同时减少操作能量。”华盛顿大学物理和材料科学与工程物理学教授兼大学清洁系能源研究所教授研究员兼论文的通信作者徐晓东说。“这两项工作表明了工程原子级薄磁存储器设备的可能性，其能耗比目前可实现的存储器要小得多。”

这篇新的科学论文还探讨了这种材料如何能够实现一种利用单层材料中的电子自旋存储信息的新型存储器。

研究人员在导电层石墨烯之间夹着两层CrI3。他们表明，根据两层CrI3之间电子自旋的排列情况，电子可以在两层石墨烯之间畅通无阻地流动，或者大部分被阻止流动。这两种不同的状态可以用作日常计算中二进制代码的零和一来编码信息。

“这种存储器的功能单元是磁性隧道结，或MTJ，它们是磁性"栅极"，可根据结处自旋的排列情况来导通或阻止电流。这种栅是实现这种小型数据存储的核心。”华盛顿大学物理学博士后研究员兼论文的联合作者Xinghan Cai说。

通过多达四层的CrI3，该团队发现了“多位”信息存储的潜力。在两层CrI3中，每层之间的自旋以相同或相反方向排列，导致电子可以两种不同的速率流过磁栅。但有了第三层和四层后，层之间的自旋可有更多的组合，导致电子可以多个不同的速率通过磁性材料，从一个石墨烯片流到另一个石墨烯片。

华盛顿大学物理系博士生兼共同作者Bevin Huang说：“与你的计算机只有两种选择来存储数据，它可以选择A，B，C，甚至更多。因此，使用CrI3结的存储设备不仅会更加高效，而且它们本身会存储更多的数据。”

研究人员使用的材料和方法与类似操作条件下采用氧化镁的现有技术相比有了显着的改进，氧化镁较厚，阻挡电子的效果较差，并且不能进行多位信息存储。

徐表示，“虽然我们目前的设备需要适度的磁场，而且只有在低温下才能工作，对于当前的技术来说是不可行的，但设备的概念和操作原理是新颖而突破性的。我们希望通过开发一些独创性的磁性电气控制技术，这些隧道结可以在减弱的甚至不需要高温磁场的情况下运行，这可能是新型存储技术的改变。”（工业和信息化部电子第一研究所 张慧）