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这将是MRAM材料的未来？

2020-05-29 14:00:26 来源: 半导体行业观察

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来源：本文编译自IEEE ，如需查阅原文内容，请点击文末“阅读原文”，谢谢。

被称为反铁磁体（antiferromagnets）的准磁性材料（Quasi-magnetic）因其在计算机内存中保存比传统磁体所允许的数据更多的潜力而吸引了研究兴趣。

尽管证明该概念所需的早期工作才刚刚开始，但一系列新研究表明，能够电气操纵反铁磁体中的位并使用与标准CMOS制造技术兼容的组件来实现这一点方面取得了进展。

反铁磁体表现出与传统铁磁体不同的特性，传统铁磁体用于包括磁阻随机存取存储器（MRAM）在内的各种现代存储技术中。

MRAM与其他内存技术相比具有明显的优势。使用MRAM读取和写入数据的速度可以类似于诸如DRAM和SRAM之类的易失性技术。但是MRAM消耗的功率更少，并且像闪存一样是非易失性的，这意味着它不需要稳定的电源来保留数据。

尽管具有优势，但MRAM仍可以视为精品存储技术。而且从理论上讲，至少反铁磁体可以解决阻止MRAM广泛采用的问题。

MRAM将信息存储为电子的自旋，这是与电子的固有角动量有关的属性。铁磁体具有不成对的电子，它们沿两个方向之一旋转或指向。铁磁体中的大多数电子指向同一方向。当电流在附近流动时，其磁场会导致大多数电子改变其自旋。磁铁根据其指向的方向记录为“ 1”或“ 0”。

铁磁体的缺点是它们可能会受到外部磁场的影响，这可能导致位意外翻转。除非相邻的铁磁体之间有足够的空间，否则相邻铁磁体的自旋会相互影响。

反铁磁体（包括锰，铂和锡等常见金属的化合物）没有这个问题。与铁磁体不同，同一反铁磁体中的电子自旋并非全部指向同一方向。相邻原子上的电子指向彼此相反，从而有效地相互抵消。

铁磁体[左]和反铁磁体[右]都可以在其电子自旋中存储信息。但是，这些自旋的方向及其磁矩在反铁磁体中被抵消，从而使其不受外部磁场的影响。

反铁磁体中所有自旋的集体取向仍然可以记录位，但是磁体整体上没有磁场。结果，反铁磁体不会互相影响，也不会受到外部磁场的干扰。这意味着您可以将它们收紧。

而且，由于反铁磁体的自旋动力学要快得多，因此比特可以以太赫兹频率在皮秒内切换，这比当今铁磁MRAM中使用的千兆赫兹频率所需的纳秒要快得多。从理论上讲，反铁磁体可以将MRAM的写入速度提高三个数量级。

仅在过去的五年中，由于欧洲研究人员证明了可以使用电流控制反铁磁体中电子的自旋，因此对反铁磁体在存储器中的潜力进行了认真的研究。这项工作导致了对不同类型的反铁磁体和开关技术的大量研究。

西北大学电气与计算机工程副教授Pedram Khalili-Amiri说：“可以选择各种各样的反铁磁材料。铁磁体比铁磁体多。”

自今年年初以来，研究人员已经报告了使用反铁磁体的一些进展。Khalili-Amiri领导的团队展示了铂锰的细小柱子的开关，铂锰是当今用于硬盘驱动器和磁场传感器的反铁磁体。该小组在2月的《自然电子》中描述了其工作。他说：“我们想制造一种与CMOS兼容的设备。”

3月，德国达姆施塔特技术大学的Markus Meinert组成的小组在《物理评论研究》中写了一个实验，该实验显示了一种用于切换钻头的新型MRAM技术，即自旋轨道扭矩，该技术也可以用于切换存储在一个钻头中的钻头。反铁磁体的类型。

在四月，东京大学的Satoru Nakatsuji及其合作者在《自然》杂志上描述了一项实验，该实验成功地转换了具有特定类型电子的反铁磁体（Mn 3 Sn）中的位，该铁被称为韦尔费米子。这些费米子的自旋状态相对容易测量，并且使该设备比其他反铁磁设备简单得多。

尽管取得了这一进展，但丹佛大学的巴里·辛克（Barry Zink）表示，现在下注任何一种反铁磁体都为时过早。“这是一个非常令人兴奋的领域。我认为目前尚不清楚究竟是哪种材料，还是仅其中一种材料将成为所有这些方面的赢家，”他说。

在将反铁磁体用于商业设备之前，必须解决许多技术难题。Zink谈到的一个问题是，电流产生的热量似乎会在某些反铁磁器件中引起电压模式，看上去与电子自旋开关可能引起的电压模式相似。要读回数据，区分两者非常重要。

而且，从反铁磁体中读取数据仍然比读取铁磁体中存储的数据慢得多，也更困难。“我们需要找到更有效的阅读方式，” Meinert说。

这个进展也吸引到了公司的注意。Nakatsuji表示，尽管他拒绝透露姓名，但他的实验室在反铁磁体方面的工作已被大型科技公司联系。他说：“我认为在不久的将来，将有很多可能。”

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