磁性粒子提供製造數據存儲器的新方法，磁存儲器容量的摩爾定律有望延續

新的研究發現，數年前發現的一種奇異磁現象有望克服物理極限，讓摩爾定律在數據存儲技術領域繼續有效。

傳統硬碟只能通過改變表面磁元的指向讀寫數據。而新系統利用被稱為「斯格明子」（skyrmions）的磁元指向微擾，這種虛擬粒子產生於不同種金屬薄膜之間的夾層，可以用電場控制其指向，並對數據進行長期「無源」存儲。

2016 年，一個由材料科學和工程副教授傑弗里·碧奇（Geoffrey Beach）領導的麻省理工研究小組發現了斯格明子這種虛擬粒子的存在，但是當時這種粒子在材料表面的分布是完全隨機的。

如今，碧奇小組聲稱，他們可以讓操作斯格明子處於特定的位置，這就為這種粒子在數據存儲上應用奠定了基礎。接下來，就只需一種有效的數據讀取系統來完成技術的商業化了。

新發現發表於本周的《自然·納米技術》上，論文作者包括碧奇副教授、麻省理工博士後菲利克斯·布特納（Felix Buettner）、研究生伊萬·雷米什（Ivan Lemesh）和其他 10 名來自美國與德國的研究者。論文的研究主要集中於磁極指向相反的原子團之間的邊界區域，該邊界區域可在磁性材料中來回移動。

碧奇團隊 4 年前發現，如果在磁性層附近附加一層非磁性重金屬，那麼通過加在非磁性層的電場，就能對磁性層中磁性區域產生作用，而「斯格明子」是這些金屬層間磁性指向的「小渦旋」。

金屬層的缺陷是在預期位置產生斯格明子的關鍵。通過在磁性金屬層引入特定的缺陷，斯格明子就可以被鎖定在金屬表面的特定位置。如此一來，這些帶有預製缺陷的表面就可以被用來作為數據存儲系統。

碧奇表示，之前困擾斯格明子數據存儲器實用化的最大障礙，是缺乏在特定的時間和位置可靠地生成斯格明子的方法。因此，「金屬缺陷法」作為一種快速有效的數據寫入方法，是此項技術發展的一個重要里程碑。

由於斯格明子在外界擾動下非常穩定，這種穩定性甚至遠超傳統磁碟中的單個磁極，因此斯格明子存儲點可以做到幾個原子那麼小，這意味著將大大增加存儲器的存儲密度。

碧奇表示，傳統磁存儲器的性能已經日趨逼近材料基本物理特性所規定的極限，其依照摩爾定律的容量指數增長已經難以維持。而基於斯格明子的存儲器有望延續磁存儲器容量的摩爾定律。

此外，斯格明子存儲器的讀寫速度也很快，因此它不僅有望代替機械硬碟，甚至還有望取代速度更快的 RAM。

儘管前景誘人，但是斯格明子存儲器還存在很多技術壁壘，比如說雖然能夠將數據寫入，但是卻缺乏有效的讀取方法。研究人員目前使用 X 射線磁譜儀來讀取數據，但這種設備極其複雜和昂貴，因此不太可能用於商用計算系統。科學家正在尋找更有效的數據讀取方法。

布特納表示：「X 射線譜儀就像沒有鏡頭的顯微鏡，通過重建演算法根據數據重建圖像，而不是通過實體透鏡扭曲光束。當然，聚焦 X 射線的透鏡也有，但是非常複雜，成本也太高，1 片要 4-5 萬美元。」

科學家們目前提出的設想是：再附加一層金屬來實現數據的有效讀取。金屬附加層可以被加工出特別的紋理，然後根據附加的探測層中的電阻變化，來判斷相鄰金屬夾層中斯格明子存在與否，進而實現數據讀取。

布特納表示，這個方案在理論上絕對可行，唯一的問題就是工程上到底需要解決多少問題。除了這個方案以外，研究小組也在測試各種潛在可行的數據讀取方法。

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