11 月 12 日，材料科學和工程教授、麻省理工材料研究實驗室副主任 Geoffrey Beach、研究生 Aik Jun Tan 和 8 位來自麻省理工和布魯克海文國家實驗室的研究人員在《自然·材料》雜誌上發文宣佈，他們可以通過施加一個弱電壓來實現對薄層材料的磁特性控制，而外部磁場消失後，無需任何能源，材料的磁場方向仍然可以維持。
圖丨氫離子（紅點）在電壓控制下穿過中間層材料，改變相鄰磁層（綠色部分）的磁特性（來源：MIT）
這聽起來有些拗口，但這一突破有望改變目前商用存儲材料必須加電維持的現狀，將顯著降低存儲、計算和傳感器件的功耗。
從電荷到自旋
提高硅基微芯片性能並降低其功耗的努力正在受到物理極限的顯著阻礙，因此研究人員正在嘗試各種新技術來突破限制。其中一個有希望的研究方向被稱為“自旋電子學”，即利用電子自旋而不是電荷來存儲信息。
自旋電子器件可以在無需外加供電的情況下維持自己的磁特性，而硅存儲芯片無法做到這一點，因此自旋電子器件功耗和散熱都很低——後者也是困擾今天電子器件的問題之一。
然而，自旋電子技術同樣面臨諸多問題，其中最大的問題之一在於：如何簡便而快速地用外加電場控制材料的磁特性？世界上的多個研究組正在為解決該問題而努力。
之前的研究聚焦於通過類似於電容的材料微結構，讓電子在金屬磁介質材料和絕緣材料的界面之間匯聚。匯聚的電荷確實可以改變材料的磁特性，但程度非常小，沒有實用價值。另一個研究方向是用離子而不是電子來改變材料的磁特性。例如，氧離子可以被用來氧化一個磁材料薄層，極大改變其磁特性。然而，氧離子與材料的相互作用將破壞材料微觀結構，讀寫不了幾次之後材料就無法繼續使用，因此也無法實用化。
本次發表的論文提出了一種新方法：使用氫離子而非體積更大的氧離子來改變材料磁特性。由於氫離子很容易滲入材料，這種方法不僅速度快，而且不會損害材料的結構。目前實驗中，材料經過 2000 次讀寫仍然完好無損。此外，小體積的氫離子可以滲入到磁材料的更深層，對其特性進行控制，而其他方法無法做到這一點。
Tan 表示，把氫離子注入磁性材料，就可以通過施加電壓改變磁場方向，且這個過程完全可逆。由於磁場方向記錄了信息，這意味著自旋電子器件可以通過此方法輕易寫入和擦除信息。
Beach 曾領導團隊在數年前提出了通過氧離子改變材料磁特性的方法，該研究在當時激發了一股“磁離子學”的研究浪潮。今天，最新的發現是這個研究領域“結束的開始”。
未參與此項研究的明尼蘇達大學化學工程和材料科學系麥克奈特傑出教授 Chris Leighton 表示，此項研究稱得上是該領域的一個突破。世界範圍內的研究團隊都在尋找用電壓來控制材料磁特性的簡單方法，而該研究的成果不僅有顯著的學術價值，潛在應用價值也不可估量，因為磁性材料是處理和存儲信息的基礎。
根據 Leighton 的評論，用氫離子注入的方法控制磁特性不算新點子，但是在固態器件上以電壓控制的方式實現該點子是一個驚人的成就，有望為後繼研究開闢道路。事實上，控制材料特性的簡單方法一直是材料領域研究人員的夢想。起效快速、壽命超長的技術，堪稱該領域的完美之作。
Beach 認為，他和他的團隊“在用類似於三極管的方式來製造磁存儲器件”，這種方法可以重複擦寫信息而不破壞材料結構。
水蒸氣導致的發現
本次的發現至少在某種意義上歸功於機緣巧合。在一次嘗試控制多層磁材料特性的實驗中，Tan 發現自己的實驗結果在不同的日期居然變化很大。他排除所有其他可能之後，最終確定：空氣中的溼度越高，實驗結果越好。他進一步意識到，空氣中的水分子在材料表面被分解為氫原子和氧原子，氧原子隨後逸散，而氫原子成為氫離子，滲透進入了材料深層，並改變了其特性。
團隊推出的材料為多層三明治夾心結構，包括磁性鈷層，而鈷層又被鈀或鉑金屬層、釓氧化物層和用來導電的黃金層包裹。
只要對該材料短暫施加電壓，就可以改變其磁特性，掉電之後磁特性不會改變。要擦除信息，則只要將材料兩端短路即可。而傳統存儲芯片必須持續供電才能維持信息，這是新材料能降低功耗的根本原因。
新器件以其低功耗和高擦寫速度有望在未來成為移動智能設備的首選，但是實用化還有很多工作要做。
Beach 表示，實驗室原型有望於數年內問世，但商業化的存儲芯片可能要更長時間。
閱讀更多 社會趣聞1 的文章
