讀取反鐵磁體資料的新方法解鎖了它們作為電腦記憶體的用途

新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）研究人員領導的科學家在開發高速存儲晶片替代材料方面取得了重大進展，這種材料可以讓計算機快速訪問信息，並繞過現有材料的限制。

他們發現了一種方法，可以讓他們理解儲存在這些文件中的以前難以讀取的資料。替代材料，稱為反鐵磁體。

研究人員認為反鐵磁體是有吸引力的製造材料電腦儲存晶片因為它們可能比傳統的矽材料更節能。 由反鐵磁體製成的記憶體晶片不受尺寸和速度限制，也不受由某些材料製成的晶片固有的損壞問題的影響。磁性材料。

電腦資料儲存為由 1 和 0 組成的字串的代碼。 目前，有將資料「寫入」到反鐵磁體上的方法，方法是將它們配置為代表數字 1 或 0。

然而，事實證明，研究人員難以從反鐵磁體「讀取」這些數據，因為過去沒有實用的方法可以找出材料編碼的數字。

現在，南洋理工大學物理與數學科學學院（SPMS）高偉波副教授領導的科學家們找到了解決方案。

他們的實驗結果在線發表於自然2023 年 6 月，研究表明，在接近外太空寒冷的超低溫下，如果電流通過反鐵磁體，就會產生一種獨特的現象。電壓對它們進行測量。

根據該電壓是正還是負，科學家可以確定反鐵磁體的編碼是 1 還是 0。

高副教授說：“我們的發現提供了一種直接的方法來讀取反鐵磁體中存儲的數據，能夠區分材料可能呈現的兩種狀態。” 「這些發現推進了將反鐵磁體用於電腦的研究記憶將來。

電腦記憶體晶片也稱為隨機存取記憶體 (RAM)，用於快速存取數據，例如用於在電腦中開啟軟體和編輯文件。

由反鐵磁體製成的記憶體晶片預計會比由稱為鐵磁體的磁性材料製成的記憶體晶片更快地儲存和更改數據，因為它們在 1 和 0 狀態之間變化的速度大約快 100 倍。 這對於資源密集型運算任務非常有用。

來自以色列魏茨曼科學研究所、日本國家材料科學研究所和中國重慶大學的研究人員也為南大領導的這項研究做出了貢獻。

研究結果反映了南洋理工大學 2025 年策略計畫的重點，即具有重大知識和社會影響的跨學科研究。

磁性問題

電腦記憶體傳統上由矽微晶片組成。 但在過去的幾十年裡，研究人員一直在研究使用稱為鐵磁體的磁性材料，這種材料由鈷和鐵的合金製成，用於儲存晶片，現在用於人工智慧和太空應用。 部分原因是鐵磁晶片比矽晶片更節能。

記憶體晶片利用鐵磁體的內部特性來儲存資料。 由於電子的行為方式，鐵磁體中具有“微型磁體”。 當這些微型磁鐵以特定方式排列時，材料將處於代表 1 的狀態。

然而，如果鐵磁晶片暴露在磁場中，例如來自電源線或帶有電磁體的工業設備的磁場，這些固有特性（微型磁鐵的排列）可能會受到干擾，從而損壞或破壞儲存的資料。

雖然這個問題可以透過屏蔽晶片來解決，但鐵磁體本身也會產生磁場，從而破壞附近其他鐵磁體的內部特性。

反鐵磁體可以克服這些問題，因為它們不會產生磁場，因為它們的微型磁鐵的排列方式與鐵磁體的內部特性略有不同。

這也意味著它們在存在其他磁鐵的情況下不會受到干擾，並且與鐵磁體相比，可以在相同的空間內容納更多的反鐵磁體，從而增加儲存容量。

儘管如此，儘管找到了配置反鐵磁體將資料編碼為 1 和 0 的方法，但讀取這些資訊仍然很困難，因為沒有實用的方法可以區分材料所處的狀態。

獨特的電壓解決資料讀取問題

在研究一種名為碲化錳鉍的新型反鐵磁性材料的物理特性時，高副教授的團隊偶然發現了一項解決資料讀取問題的觀察結果。

在他們的實驗中，科學家在5°開爾文或-268°攝氏度左右的極低溫度（接近外太空的寒冷）下通過一個雨滴大小的非常微小的裝置，該裝置由碲化錳鉍晶體片組成。

令人驚訝的是，研究人員發現晶體上有一個獨特的電壓訊號，其頻率是交流電的兩倍。 例如，以 100 赫茲的頻率通過 10 微安培的電流，會產生頻率為 200 赫茲的 0.2 毫伏特的電壓。 科學家原本預期電壓和電流的頻率是相同的。

他們還發現，根據反鐵磁碲化錳鉍的配置方式，電壓的符號會改變。

如果電壓為正，則表示反鐵磁體處於代表0的狀態。

科學家們相信其他反鐵磁體也會表現出類似的行為，他們的下一步將是測試這種可以在室溫下編碼資料的材料。

研究人員表示，獨特的電壓源自碲化錳鉍晶體的電子特性，稱為量子度量。 這些特性直到最近才被實驗觀察到。 這項最新發現為進一步研究這些屬性至關重要的系統指明了道路，量子力學是研究物質和能量在原子和亞原子層級上如何表現的學科。

該論文的一位獨立匿名審查者寫道，該小組的實驗“發現了量子度量引起的輸運現象，這對拓撲物理學具有重要意義”，並補充說“實驗結果可靠且令人信服的」。

南洋理工大學領導的科學家也發現，除了他們檢測到的意外電壓之外，還有另一種電壓是由交流電通過碲化錳鉍晶體時感應出的直流電產生的。 例如，他們發現 10 微安培的交流電會產生 0.3 毫伏特的電壓，該電壓與直流電相關。

這項發現表明，無線能量（例如來自 Wi-Fi 和行動訊號的能量）可能會導致反鐵磁體產生電力，有一天可能會被用來為便攜式電子設備供電。

高副教授表示，他的團隊正在計劃進一步研究，以增加透過這種方式收集的能量。