MRAM（磁性随机存储器）是否可替代取代电子存储器

计算机和智能手机采用不同类型的内存，根据在系统中的使用位置，内存的速度和能效会有所不同。通常情况下，大型计算机，尤其是数据中心的计算机，会使用大量的磁性硬盘，而这些硬盘目前在消费类系统中并不常见。这些磁性技术提供了非常高的容量，但缺乏固态存储器的速度。基于即将到来的自旋电子技术的设备可能能够弥合这一差距，并从根本上改善传统电子设备的理论性能。

东京大学物理系的Satoru Nakatsuji教授和项目副教授Tomoya Higo与他们的团队，探索了自旋电子学和固态物理的其他相关领域，从广义上来说，即不动物体的物理。多年来，他们研究了多种特殊种类的磁性材料，其中一些具有非常不寻常的特性。大家可能对铁磁体很熟悉，因为这些铁磁体存在于许多日常应用中，如电脑硬盘驱动器和电动机，甚至有些可能会被粘贴在冰箱上。然而，该团队更感兴趣的是称为反铁磁体的一种更模糊的磁性材料。

（左图）被研究材料在钨（W）和氧化镁（MgO）层上的横截面透射电子显微镜图像。（右图）该材料的俯视图，插图中显示了红色的锰原子和浅蓝色的锡原子。

“与铁磁体一样，反铁磁体的磁性来自其组成粒子的集体行为，特别是其电子的自旋，类似于角动量，”Nakatsuji表示，“这两种材料都可以通过改变组成粒子的局部组合来编码信息。然而，反铁磁体在高速方面具有明显优势，即以这个速度，以更高的复杂性为代价，对存储信息自旋状态的这些变化进行改变。”

Higo表示：“一些自旋电子存储器已经面世。MRAM（磁性随机存储器）已经商业化，在某些情况下可以取代电子存储器，但它是基于铁磁开关的。经过大量的试错，我相信我们是第一个报告使用与MRAM中作用于铁磁体的相同方法成功切换反铁磁性材料Mn3Sn中自旋状态的人，这意味着我们已经可以让反铁磁性物质成为一个简单的存储设备。”

该切换方法被称为自旋轨道转矩（SOT）切换，它在技术领域引起了人们的兴奋。它使用一小部分功率来改变内存中位（1或0）的状态，尽管研究人员的实验仅涉及在短短几毫秒（千分之一秒）内切换其Mn3Sn样本，但他们相信SOT切换可能在皮秒（万亿分之一秒）级别就能发生，这将比当前最先进的电子计算机芯片的开关速度还快几个数量级。

Nakatsuji表示：“我们之所以能做到这一点，是因为我们使用了独特的材料Mn3Sn。事实证明，以这种方式进行研究比使用其他反铁磁性材料容易得多。”

Higo也表示：“目前还没有关于如何制造这种材料的规则。我们的目标是利用分子束外延技术从锰和锡中制备出纯净、平坦的Mn3Sn晶体。这一过程有许多参数需要微调，我们仍在改进这一工艺过程，看看是否有一天该方法会成为一种工业方法，并扩大生产规模。”

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