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在反铁磁体中读取数据的新方法解锁了其作为计算机存储器的用途

新加坡南洋理工大学研究人员用来做实验的含有反铁磁的碲化锰铋(绿色)的微型装置的显微图像。 从中心辐射的线(浅黄色)是电流从其通过碲化锰铋的电极。

由新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的科学家领导的科学家们在开发高速内存芯片的替代材料方面取得了重大突破，这些芯片可以让计算机快速访问信息，并绕过现有材料的限制。他们发现了一种方法，可以理解之前难以读取的存储在这些替代材料中的数据，这些材料被称为反铁磁材料。

研究人员认为，反铁磁材料是制造计算机内存芯片的有吸引力的材料，因为它们在能源效率上可能比传统的硅材料更高。由反铁磁材料制成的内存芯片不受尺寸和速度限制，也不会出现与某些磁性材料制成的芯片固有的损坏问题。

计算机数据以由一串1和0组成的代码形式存储。目前，存在一些方法可以将数据“写入”反铁磁材料，通过配置它们来表示数字1或0。然而，过去研究人员一直难以“读取”存储在反铁磁材料中的数据，因为过去没有实用的方法可以确定材料编码的数字是多少。

现在，南洋理工大学物理与数学科学学院(SPMS)的Gao Weibo副教授领导的科学家们找到了解决办法。他们在2023年6月发表在《自然》杂志上的实验结果表明，在接近外层空间寒冷温度的超低温下，如果他们通过反铁磁材料通电，就会在材料上测量到一种独特的电压。根据这个电压是正还是负，科学家们可以确定反铁磁材料是编码为1还是0。这样就可以读取存储在材料中的数据。

Gao副教授说：“我们的发现提供了一种简单的方法来读取存储在反铁磁材料中的数据，通过能够区分材料可能采取的两种状态。”他还说：“这些发现推动了未来在计算机内存中使用反铁磁材料的研究。”

计算机内存芯片，也称为随机存取存储器(RAM)，用于快速访问数据，例如在计算机中打开软件和编辑文档。与由磁性材料(称为铁磁材料)制成的内存芯片相比，由反铁磁材料制成的内存芯片预计可以更快地存储和更改数据，因为它们可以在1和0之间更快地切换。这对于资源密集型的计算任务非常有用。

以色列魏茨曼科学研究所、日本国立材料科学研究所和中国重庆大学的研究人员也参与了这项由南洋理工大学领导的研究。这项研究结果体现了南洋理工大学2025年战略计划的一个重点，即进行具有重要知识和社会影响的跨学科研究。

磁性问题

计算机内存传统上由硅微芯片组成。但在过去几十年里，研究人员一直在研究使用由钴和铁合金制成的磁性材料(称为铁磁材料)作为内存芯片的可能性，这些材料现在被用于人工智能和航天应用中。这部分是因为铁磁芯片比硅芯片更节能。内存芯片利用铁磁材料的内部特性来存储数据。铁磁材料中的“微型磁铁”是由其电子行为决定的。当这些微型磁铁以特定方式排列时，材料处于可以表示1的状态。以不同方式排列微型磁铁会导致表示0的状态。然而，如果铁磁芯片暴露在磁场中，例如来自电力线或带有电磁铁的工业设备的磁场，这些内在特性(微型磁铁的排列)可能会被破坏，从而破坏或销毁存储的数据。

在新加坡南洋理工大学进行电学测量实验的低温超导磁体

虽然可以通过屏蔽芯片来解决这个问题，但铁磁材料本身也会产生磁场，可能会干扰其他附近铁磁材料的内部特性。反铁磁材料可以克服这些问题，因为它们不会产生磁场，这是因为它们的内部特性与铁磁材料略有不同，这是由于它们的微型磁铁的排列方式不同。这也意味着相同空间内可以容纳更多的反铁磁材料，从而增加了内存容量。

然而，尽管已经找到了将反铁磁材料配置为编码为1和0的方法，但由于过去没有实用的方法可以区分材料处于哪种状态，因此读取这些信息一直很困难。

独特的电压解决了数据读取问题

在研究一种名为锰铋碲化物的新型反铁磁材料的物理特性时，Gao副教授的团队偶然发现了一个解决数据读取问题的观察结果。

在他们的实验中，科学家们通过一个非常小的设备(大小如雨滴)，在极低的温度下(约5°开尔文或-268°摄氏度，接近外层空间的寒冷)通过锰铋碲化物晶体片传递交流电流。

令人惊讶的是，研究人员发现晶体之间存在一个独特的电压信号，其频率是交流电流频率的两倍。例如，通过频率为100赫兹的10微安的电流，可以产生频率为200赫兹的0.2毫伏的电压。科学家们原本预期电压和电流的频率是相同的。

他们还发现，根据反铁磁锰铋碲化物的配置方式，电压的符号会改变。如果电压为正，表示反铁磁材料处于表示0的状态。如果电压为负，表示材料处于表示1的状态。这个观察结果解决了无法轻松读取存储在反铁磁材料中的信息的问题。

科学家们相信，其他反铁磁材料也会显示类似的行为，他们下一步将测试这种可以在室温下编码数据的材料。研究人员表示，这种独特的电压是由锰铋碲化物晶体的电子特性(称为量子度量)引起的。这些特性直到最近才被实验观察到。这一最新发现指引着进一步研究那些涉及到这些特性并且可以用量子力学解释的系统，量子力学是研究物质和能量在原子和亚原子级别上的行为的学科。

该论文的一位独立匿名审稿人写道，该团队的实验“发现了由量子度量引起的输运现象，这对拓扑物理学来说非常重要”，并补充说，“实验结果是可靠和令人信服的”。

南洋理工大学领导的科学家们还发现，除了他们检测到的意外电压之外，还有另一个电压是由通过锰铋碲化物晶体的交流电流引起的直流电流产生的。例如，他们发现，10微安的交流电流会产生一个与直流电流相关的0.3毫伏的电压。

这一发现表明，无线能量，如来自Wi-Fi和移动信号的能量，可以使反铁磁体产生电能，有朝一日，这些电能可能被用来为便携式电子设备供电。

Gao教授说，他的团队正在计划进一步研究，以增加通过这种方式获得的能量。

本文译自 phys.org，由 BALI 编辑发布。

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