导读
近日，在一篇发表于《应用物理快报》杂志的论文中，科研人员表示由氧化铬（Cr2O3）制成的新型开关元件，有朝一日将应用于计算机存储器和闪存驱动器。
背景
许多年来，计算机制造商们将电脑设计得越来越小，但是却包装了越来越多的存储器。可是，现在半导体公司却无法像过去一样，以非常快的速度来缩小存储元件尺寸，并且目前的设计也不是高能效的。
传统存储器都是采用晶体管，并依靠电场存储和读出信息。目前，大量的研究都指向一种替代性方案，即利用磁场存储信息。
之前，笔者介绍了许多有关磁存储的科研创新成果。例如，前不久刚刚介绍过美国华盛顿大学科研团队利用只有几个原子层厚度的磁体编码信息，这项突破将提高数据存储密度，提高设备能量效率，有望革新计算技术和消费电子设备。
（图片来源：Tiancheng Song）
再例如，日本北海道大学的科学家开发出一种可快速安全地在磁性和非磁性信号之间切换的存储材料，它将使得固态硬盘和USB闪存驱动器等传统存储器件的存储容量翻倍。
磁性设备未来一种非常有前景的版本，就是利用磁电效应，通过电场切换设备的磁性。然而，现有的磁性设备一般需要巨大的磁场和电场，但是这些磁场和电场非常难以制造和容纳。
创新
解决这一问题的潜在方案之一，是一种由氧化铬（Cr2O3）制成的新型开关元件。有朝一日，它有望用于计算机存储器和闪存驱动器。研究人员将他们的研究成果发表于美国物理学会出版的《应用物理快报（Applied Physics Letters）》杂志。
下图中(a) 和 (b) 分别为提议的开关元件的侧视图和俯视图，中间是氧化铬，由一个阻滞磁场的磁分路围绕着，而顶部是读出设备。
技术
计算机存储器由开关元件组成，这种微型设备可被打开或者关闭，从而将比特信息存储为0或者1。之前的研究人员发现，氧化铬的磁电特性表明，它只需要一个电场就可以进行“切换”，但是切换还需要静态磁场。在这些元件基础上，Victora 和 Rizvi Ahmed 设计出一种以氧化铬为核心的存储器件，它无需任何外部施加的磁场就可以运行。
他们的设计用磁性材料围绕着氧化铬，这样通过量子力学提供了一种与铬磁矩耦合的有效磁场，同时也通过能阻止附近设备产生杂散磁场的方式进行排列。一个位于设备顶部的元件可读出设备状态，从而判断它是0还是1。这样有望将更多的存储器包装到更小的空间中，因为氧化铬和磁体之间的界面是耦合的关键，而这种耦合使得设备能够运行。随着设备尺寸减小，相比于体积，界面的表面积会变大，从而改善设备的功能。这种特性与传统半导体设备相比是一个有利条件，在传统半导体设备中，尺寸减小而表面积增大将导致更多的电荷泄露与热量损失。
价值
论文作者之一、明尼苏达大学研究员 Randall Victora 表示：“这种设备具有更好的缩放潜能，因此可以被制造得更小，一旦经过适当的精加工，将变得更加节能。”
未来
下一步，Victora 和Ahmed 将与进行氧化铬研究的同事们展开合作，构造并测试该设备。如果制造成功，那么新设备将有望取代计算机中的动态随机存取存储器。
Victora 表示：“DRAM 是一个巨大的市场。它提供了一种位于计算机内的快速存储器，但是问题是它泄露了许多电荷，因此能量效率非常低下。” DRAM 也是易失性的，所以一旦电源断电，信息就会消失，如同电脑死机会时会清除未保存的文件数据。正如论文中所描述的，这种设备将是非易失性的。
然而，这种存储设备可能需要花很多年才会变得完善。其中一个显著的障碍就是设备的耐热性。计算机产生了许多热量，模型预测表明，在30摄氏度左右设备将停止工作，这个温度在夏天很常见。或许，在氧化铬中掺杂其他成分进行优化，将会改善其功能，使其更适合取代现有的存储设备。
关键字
存储器、磁、量子、半导体、计算机
【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/design-magnetoelectric-device-may-improve-your-memory?TRACK=aipp-china
【2】R. Ahmed, R. H. Victora. A fully electric field driven scalable magnetoelectric switching element. Applied Physics Letters, 2018; 112 (18): 182401 DOI: 10.1063/1.5023003
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