磁性粒子提供制造数据存储器的新方法，磁存储器容量的摩尔定律有望延续

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新的研究发现，数年前发现的一种奇异磁现象有望克服物理极限，让摩尔定律在数据存储技术领域继续有效。

传统硬盘只能通过改变表面磁元的指向读写数据。而新系统利用被称为“斯格明子”（skyrmions）的磁元指向微扰，这种虚拟粒子产生于不同种金属薄膜之间的夹层，可以用电场控制其指向，并对数据进行长期“无源”存储。

2016 年，一个由材料科学和工程副教授杰弗里·碧奇（Geoffrey Beach）领导的麻省理工研究小组发现了斯格明子这种虚拟粒子的存在，但是当时这种粒子在材料表面的分布是完全随机的。

如今，碧奇小组声称，他们可以让操作斯格明子处于特定的位置，这就为这种粒子在数据存储上应用奠定了基础。接下来，就只需一种有效的数据读取系统来完成技术的商业化了。

新发现发表于本周的《自然·纳米技术》上，论文作者包括碧奇副教授、麻省理工博士后菲利克斯·布特纳（Felix Buettner）、研究生伊万·雷米什（Ivan Lemesh）和其他 10 名来自美国与德国的研究者。论文的研究主要集中于磁极指向相反的原子团之间的边界区域，该边界区域可在磁性材料中来回移动。

碧奇团队 4 年前发现，如果在磁性层附近附加一层非磁性重金属，那么通过加在非磁性层的电场，就能对磁性层中磁性区域产生作用，而“斯格明子”是这些金属层间磁性指向的“小涡旋”。

金属层的缺陷是在预期位置产生斯格明子的关键。通过在磁性金属层引入特定的缺陷，斯格明子就可以被锁定在金属表面的特定位置。如此一来，这些带有预制缺陷的表面就可以被用来作为数据存储系统。

碧奇表示，之前困扰斯格明子数据存储器实用化的最大障碍，是缺乏在特定的时间和位置可靠地生成斯格明子的方法。因此，“金属缺陷法”作为一种快速有效的数据写入方法，是此项技术发展的一个重要里程碑。

由于斯格明子在外界扰动下非常稳定，这种稳定性甚至远超传统磁盘中的单个磁极，因此斯格明子存储点可以做到几个原子那么小，这意味着将大大增加存储器的存储密度。

碧奇表示，传统磁存储器的性能已经日趋逼近材料基本物理特性所规定的极限，其依照摩尔定律的容量指数增长已经难以维持。而基于斯格明子的存储器有望延续磁存储器容量的摩尔定律。

此外，斯格明子存储器的读写速度也很快，因此它不仅有望代替机械硬盘，甚至还有望取代速度更快的 RAM。

尽管前景诱人，但是斯格明子存储器还存在很多技术壁垒，比如说虽然能够将数据写入，但是却缺乏有效的读取方法。研究人员目前使用 X 射线磁谱仪来读取数据，但这种设备极其复杂和昂贵，因此不太可能用于商用计算系统。科学家正在寻找更有效的数据读取方法。

布特纳表示：“X 射线谱仪就像没有镜头的显微镜，通过重建算法根据数据重建图像，而不是通过实体透镜扭曲光束。当然，聚焦 X 射线的透镜也有，但是非常复杂，成本也太高，1 片要 4-5 万美元。”

科学家们目前提出的设想是：再附加一层金属来实现数据的有效读取。金属附加层可以被加工出特别的纹理，然后根据附加的探测层中的电阻变化，来判断相邻金属夹层中斯格明子存在与否，进而实现数据读取。

布特纳表示，这个方案在理论上绝对可行，唯一的问题就是工程上到底需要解决多少问题。除了这个方案以外，研究小组也在测试各种潜在可行的数据读取方法。

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编辑：离子心  

参考：

http://news.mit.edu/2017/fast-moving-magnetic-particles-new-form-data-storage-1002

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