预计在短短几十年内，激增的数字数据量将成为全球最大的能源消耗者之一。据外媒报道，瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究人员取得了一项可能改变这一模式的突破：一种原子级厚度的材料，能够使两种相反的磁力共存，从而将存储器件的能耗大幅降低十倍。这一发现或将为人工智能、移动技术和高级数据处理领域新一代超高效、可靠的存储解决方案铺平道路。该研究的相关论文发表在期刊《先进材料（Advanced Materials）》上。

图片来源：查尔姆斯理工大学

存储器件是几乎所有处理和存储信息的现代技术（包括人工智能系统、智能手机、计算机、自动驾驶汽车、家用电器和医疗设备）的重要组成部分。磁性已成为数字存储演进的关键因素。通过利用磁性材料中电子在外场和电流作用下的行为，研究人员可以设计出速度更快、体积更小、更节能的存储器件。然而，存储、处理和传输的数据量正呈指数级增长。预计在未来几十年内，数据将占全球能源消耗的近30%。这促使人们迫切寻找新方法来构建更节能的存储器件，同时开启全新的技术机遇。

查尔姆斯理工大学量子器件物理学研究员、研究论文的主要作者Bing Zhao博士表示：“在单一薄层材料中发现这种磁有序共存是一项突破。其特性使其极其适用于为人工智能、移动设备、计算机和未来数据技术开发超高效存储器件。”

磁吸引力

在物理学和工程学中，通常考虑两种基本的磁状态：铁磁性和反铁磁性。铁磁性是一种常见的现象（在日常磁铁中可见），它吸引铁、镍或钴等材料。在这种状态下，电子均匀排列，就像列队行进的士兵一样，形成一个外部可见的统一磁场。相反，反铁磁性涉及具有相反自旋的电子，导致它们的磁态相互抵消。将这两种相反的力量结合起来，具有显著的科学和技术优势，使其成为计算机内存和传感器的理想选择。但到目前为止，这只能通过在多层结构中堆叠不同的铁磁和反铁磁材料来实现。

查尔姆斯理工大学量子器件物理学教授、该研究项目负责人Saroj P. Dash表示：“与这些复杂的多层系统不同，我们成功地将两种磁力整合到一个二维晶体结构中。这就像一个完美的预组装磁系统，这是传统材料无法复制的。自从磁力首次应用于存储技术以来，研究人员一直在探索这一概念。”

倾斜磁化将能耗降低十倍

为了存储信息，存储器件必须改变材料内电子的方向。对于传统材料，这通常需要外部磁场来改变电子方向。然而，查尔姆斯理工大学的新材料内置了两种相反磁力的组合，从而产生了内部力和倾斜的整体磁取向。

Zhao博士表示：“这种倾斜使得电子能够快速轻松地改变方向，而无需任何外部磁场。通过消除对耗电外部磁场的需求，功耗可以降低十倍。”

制造更简单，可靠性更高

该材料采用磁性合金，由磁性和非磁性元素（钴、铁、锗和碲）制成，使铁磁性和反铁磁性能够在单一结构中共存。在这些高效的存储器件中，二维晶体薄膜以层状堆叠。与通过化学键结合在一起的传统材料不同，这些层通过范德华力结合在一起。

Dash教授表示：“具有多种磁性特性的材料消除了多层堆叠中的界面问题，并且制造起来更加容易。以前，堆叠多个磁性薄膜会在界面处引入接缝，从而影响可靠性并使器件生产复杂化。”

研究人员在微型存储器件中使用了一种新型的原子级薄材料，这些器件是芯片顶部的金色点簇。这种材料结合了两种相反的磁力，产生了交换力，并倾斜了整体磁取向。这种共存可能使存储器件制造变得简单，并将存储器件的能耗降低十倍，这对未来的计算机、人工智能和高级数据处理具有重大优势。