Magnetiska material är ryggraden i modern digital informationsteknik, såsom hårddisklagring. Ett team som leds av University of Washington har nu tagit detta ett steg längre genom att koda information med hjälp av magneter som bara är några lager av atomer i tjocklek. Detta genombrott kan revolutionera både cloud computing-teknologier och konsumentelektronik genom att möjliggöra datalagring med högre densitet och förbättrad energieffektivitet.

I en studie publicerad online den 3 maj i tidskriften Vetenskap , forskarna rapporterar att de använde högar av ultratunna material för att utöva oöverträffad kontroll över flödet av elektroner baserat på riktningen för deras snurr – där elektronen "snurrar" är analoga med små, subatomära magneter. Materialen som de använde inkluderar ark av kromtrijodid (CrI3), ett material som beskrevs 2017 som den första 2-D magnetiska isolatorn någonsin. Fyra ark - var och en endast atomer tjocka - skapade det tunnaste systemet än så länge som kan blockera elektroner baserat på deras snurr samtidigt som de utövar mer än 10 gånger starkare kontroll än andra metoder.

"Vårt arbete avslöjar möjligheten att driva informationslagring baserad på magnetisk teknologi till den atomärt tunna gränsen, "sa medledarförfattaren Tiancheng Song, en UW doktorand i fysik.

I relaterad forskning, publicerad 23 april i Naturens nanoteknik , teamet hittade sätt att elektriskt kontrollera de magnetiska egenskaperna hos denna atomärt tunna magnet.

"Med den explosiva tillväxten av information, utmaningen är hur man kan öka tätheten av datalagring samtidigt som man minskar driftenergin, " sa motsvarande författare Xiaodong Xu, en UW-professor i fysik och materialvetenskap och teknik, och fakultetsforskare vid UW Clean Energy Institute. "Kombinationen av båda verken pekar på möjligheten att konstruera atomtunna magnetiska minnesenheter med energiförbrukning som är mindre än vad som för närvarande är möjligt."

Den nya Vetenskap papper tittar också på hur detta material kan möjliggöra en ny typ av minneslagring som utnyttjar elektronsnurrarna i varje enskilt ark.

Forskarna klämde in två lager av CrI3 mellan ledande ark av grafen. De visade att beroende på hur snurren är inriktade mellan vart och ett av CrI3 -arken, elektronerna kan antingen flöda obehindrat mellan de två grafenarken eller var till stor del blockerade från att flöda. Dessa två olika konfigurationer skulle kunna fungera som bitarna - nollorna och ettorna för binär kod i vardaglig datoranvändning - för att koda information.

"De funktionella enheterna i denna typ av minne är magnetiska tunnelövergångar, eller MTJ, som är magnetiska "grindar" som kan undertrycka eller släppa igenom elektrisk ström beroende på hur snurren riktas in i korsningen, " sa co-lead författare Xinghan Cai, en UW-postdoktor i fysik. "En sådan grind är central för att förverkliga den här typen av småskalig datalagring."

Med upp till fyra lager av CrI3, teamet upptäckte potentialen för "multi-bit" informationslagring. I två lager av CrI3, snurren mellan varje lager är antingen riktade i samma riktning eller motsatta riktningar, vilket leder till två olika hastigheter som elektronerna kan strömma genom den magnetiska grinden. Men med tre och fyra lager, det finns fler kombinationer för snurr mellan varje lager, leder till flera, olika hastigheter med vilka elektronerna kan flöda genom det magnetiska materialet från ett grafenark till det andra.

"Istället för att din dator bara har två val att lagra en bit data i, den kan ha ett val A, B, C, även D och längre, " sa medförfattaren Bevin Huang, en UW doktorand i fysik. "Så inte bara skulle lagringsenheter som använder CrI3-korsningar vara mer effektiva, men de skulle i sig lagra mer data."

Forskarnas material och tillvägagångssätt representerar en betydande förbättring jämfört med befintliga tekniker under liknande driftförhållanden med hjälp av magnesiumoxid, som är tjockare, mindre effektiv på att blockera elektroner och saknar möjligheten för multi-bit informationslagring.

"Även om vår nuvarande enhet kräver blygsamma magnetfält och endast fungerar vid låg temperatur, omöjlig att använda i nuvarande teknik, enhetskonceptet och driftprincipen är nya och banbrytande, " sa Xu. "Vi hoppas att med utvecklad elektrisk kontroll av magnetism och lite uppfinningsrikedom, dessa tunnelkorsningar kan fungera med reducerade eller till och med utan behov av ett magnetfält vid hög temperatur, som kan vara en spelförändring för ny minnesteknik."