保羅·謝勒研究所PSI和蘇黎世聯邦理工學院研究人員發現了納米範圍內的一種特殊磁性現象，使磁鐵能夠以不同尋常的結構組裝，這可以用來建立計算機內存和開關，以提高微處理器的性能，這項研究結果已經發表在《科學》期刊上。磁鐵的特點是它們有北極和南極，如果兩個普通磁鐵靠得很近，相反的兩極相互吸引，相同的兩極相互排斥。這就是爲什麼磁針，比如羅盤上的磁針，會在地球磁場中排列。

博科園-科學科普：這樣我們就可以用它們來確定基本的南北方向，並由此推斷出東西方向。在我們每天用感官體驗的世界裏，這個規則是正確的。然而，如果你離開宏觀世界，進入更小的維度，情況就會發生變化。Paul Scherrer研究所PSI和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員現在發現，在只有幾個原子厚度的磁性層構成納米級結構中，存在一種非常特殊的磁相互作用。原子作用就像微小的羅盤針，在納米範圍內的微小距離上展開它們的作用，也就是百萬分之幾毫米。這就是爲什麼研究人員也稱它們爲納米磁鐵。

如果一組鈷原子向北或向南排列(紅色)，相鄰的鈷原子向西或向東排列(藍色)。相鄰原子的方向在平面內。這種相互作用需要將鈷層夾在鉑層(下圖，米黃色)和氧化鋁層(上圖，這裏沒有顯示)之間。圖片：Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

PSI研究人員現在能夠觀察到的現象，是基於兩位物理學家伊戈爾·季亞羅辛斯基(Igor Dzyaloshinskii)和託魯·瑪利亞(Toru Mariya) 60多年前預測的相互作用。蘇黎世聯邦理工學院和PSI的物理學家羅兆初表示：那是我們的起點。在這種相互作用中，原子羅盤針不僅朝南北方向排列，而且朝東西方向排列。該研究的第一作者羅兆初(音譯)表示：它們指向哪裏取決於它們周圍原子的方向。例如，如果一組原子指向北，相鄰原子總是指向西。如果一組原子指向南方，那麼相鄰的原子就會向東運動。

這些方向可以被磁場或電流逆轉，即從北到南，反之亦然。然後，相鄰的原子羣相應地調整自己的方向，從西到東或者從東到西。研究人員在只有1.6納米厚的鈷原子層幫助下發現了西北和東南方向的耦合，鈷原子層夾在一邊的鉑層和另一邊的氧化鋁層之間。蘇黎世聯邦理工學院的教授羅兆初說：僅僅爲了我們的實驗，這些特殊層的開發就花了大約半年時間。不同尋常的是，這種相互作用是橫向發生的，也就是在一個平面上。在此之前，類似的耦合只能在垂直方向上探測到，原子羣排列在原子羣之上。

該研究的第一作者羅兆初(音譯)，在一個所謂的濺射沉積工具前，在該裝置中產生了鉑、鈷和氧化鋁層，每一層只有幾納米厚。圖片：Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic

PSI和蘇黎世聯邦理工學院研究人員共同觀察到的這一現象使平面磁場網絡得以發展。此外，還可以生產合成的反鐵磁體。在這些反鐵磁體中，原子羣以一定的間隔指向北方或南方。相反的納米磁體數目大致相同，因此它們可以相互抵消。這就是爲什麼，乍一看，反鐵磁體的作用不像磁鐵——例如，它們不會粘在冰箱門上。相鄰的原子，要麼朝向西方，要麼朝向東方，就像間隔物一樣，將指向北方或南方的磁鐵分開，每個磁鐵只有幾納米大小，微型“指西針”或“指東針”也就誕生了，不過宏觀現實生活中用處不大；但，例如這使得構建新的、更高效的計算機內存和開關成爲可能，而這反過來又使微處理器更強大。

計算機邏輯門

單個納米磁珠面朝北或朝南，適用於構造邏輯門。邏輯門是計算機的組成部分，起着開關的作用。信號進入這些門，然後被處理成輸出信號。在計算機中，許多這樣的門被連成網絡來執行操作。這樣的柵極也可以在向北或向南排列的納米磁體幫助下建造。這些類似於目前常用的處理器，晶體管以二進制形式處理信號，將所有信號解釋爲0或1。

無論是向北還是向南定向的納米磁體也可以做到這一點，這將使微處理器更加緊湊和高效。這項研究的負責人Pietro Gambardella和Laura Heyderman說：這項研究工作提供了一個平臺來設計連接納米磁網陣列，實現對平面邏輯門和存儲設備的全電動控制。

博科園-科學科普｜研究/來自: Paul Scherrer研究所/Sebastian Jutzi

參考期刊文獻:《科學》

DOI: 10.1126/science.aau7913

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