存儲技術最新突破：有助於改善類腦計算與存儲！
背景
超過半個世紀以來，磁材料廣泛應用於磁帶、軟盤、計算機硬碟驅動器等存儲設備中，存儲著大量電子信息包括有價值的知識和記憶。
近些年來，一種新物理現象：「磁致電阻」（magnetoresistance）引起了科學界的廣泛關注。這種材料已成功應用於硬碟驅動器讀頭、磁場感測器和存儲器方面的新興技術：磁阻隨機存取存儲器 （MRAM）。
當施加於這種材料的外部磁場或者材料自身的磁場強度改變時，這種材料的電阻會發生變化。金屬或半導體的載流子在磁場中運動時，由於受到電磁場的變化產生的洛倫茲力作用，從而產生出磁阻效應。
磁阻效應是1857年由英國物理學家威廉·湯姆森發現的，它在金屬里可以忽略，在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發展經歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直衝磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。
其中，最值得關注的是穿隧磁阻效應。它是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1納米)-鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。此效應首先於1975年由 MichelJulliere 在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發現。然而，室溫穿隧磁阻效應則於1995年，由 TerunobuMiyazaki 與Moodera 分別發現。此效應更成為了磁阻隨機存取器與硬碟中的磁性讀頭的科學基礎。
例如，去年筆者介紹過新加坡國立大學副教授 Yang Hyunsoo 帶領的研究團隊成功地將磁存儲晶元嵌入到塑料材料中，在柔性材料上製造出存儲晶元。這項研究中的存儲晶元就是基於MRAM，它採用氧化鎂（MgO）的磁隧道結來存儲數據。
（圖片來源： 維基百科）
創新
近日，美國明尼蘇達大學研究人員領導了一項新科研項目，探索出一種涉及磁阻效應的新型拓撲絕緣體。未來，這種拓撲絕緣體將改善計算機計算與存儲。他們將研究的細節發表在最近一期的科技期刊《自然通信》（Nature Communications）。
技術
雖然磁記錄法在數據存儲應用中仍佔據著首要位置，但是磁阻隨機存取存儲器正逐漸在計算機存儲領域的佔有一席之地。從外部看，它們不像硬碟驅動器那樣具有機械旋轉的磁碟和擺動的磁頭，它們更像一種其他類型的存儲器。它們是一些晶元（固態），這些晶元焊接在計算機或者移動設備的電路板上。
最近，一組稱為「拓撲絕緣體」的材料已經用於進一步改善磁阻隨機存儲電子單元的寫數據的能量效率。然而，新設備的幾何形狀需要一種新的磁致電阻現象，從而完成三維繫統和網路中的存儲單元的讀數據功能。
最近，科學家們發現了傳統金屬雙層材料系統中的單向自旋霍爾磁阻。隨後，明尼蘇達大學的研究人員與賓夕法尼亞州立大學的同事們合作，在拓撲絕緣體-鐵磁體雙層中，首次展示出這種磁致電阻現象的存在。
下圖是磁阻效應的示意圖。電子自旋在拓撲絕緣體中產生。那些處於鐵磁體和拓撲絕緣體介面處的電子自旋與鐵磁體產生交互作用，從而為設備帶來高電阻或者低電阻，這一點取決於磁場和自旋的相對方向。
（圖片來源： 明尼蘇達大學）
下圖展示了霍爾電阻的測量裝置以及霍爾電阻在不同條件下的變化。
（圖片來源： 參考資料【2】）
價值
這項研究確認了這種單向磁致電阻的存在，並揭示出相比於重金屬，採用拓撲絕緣體能在150開爾文（-123.15 攝氏度）下將磁致電阻的性能翻倍。這項研究通過增加之前缺失的或者說非常不便的讀數據功能，創建出一種涉及拓撲絕緣體的三維和橫條類型的計算機和存儲設備，從應用的角度說，它的意義如同拼圖中缺少的那一塊。
明尼蘇達大學電氣和計算機工程系教授、明尼蘇達大學自旋電子材料、介面和新型結構中心（C-SPIN）主任、論文的合著者 Jian-Ping Wang 表示：「對於未來半導體工業的低功耗計算和存儲（例如：類腦計算、機器人晶元、三維磁存儲器）的改進來說，我們的研究就如同拼圖中缺少的那一塊。」
關鍵字
存儲器、磁、半導體
參考資料
【1】https://cse.umn.edu/news-release/new-discovery-improve-brain-like-memory-computing/
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