導讀
近日，在一篇發表於《應用物理快報》雜誌的論文中，科研人員表示由氧化鉻（Cr2O3）製成的新型開關元件，有朝一日將應用於計算機存儲器和閃存驅動器。
背景
許多年來，計算機制造商們將電腦設計得越來越小，但是卻包裝了越來越多的存儲器。可是，現在半導體公司卻無法像過去一樣，以非常快的速度來縮小存儲元件尺寸，並且目前的設計也不是高能效的。
傳統存儲器都是採用晶體管，並依靠電場存儲和讀出信息。目前，大量的研究都指向一種替代性方案，即利用磁場存儲信息。
之前，筆者介紹了許多有關磁存儲的科研創新成果。例如，前不久剛剛介紹過美國華盛頓大學科研團隊利用只有幾個原子層厚度的磁體編碼信息，這項突破將提高數據存儲密度，提高設備能量效率，有望革新計算技術和消費電子設備。
（圖片來源：Tiancheng Song）
再例如，日本北海道大學的科學家開發出一種可快速安全地在磁性和非磁性信號之間切換的存儲材料，它將使得固態硬盤和USB閃存驅動器等傳統存儲器件的存儲容量翻倍。
磁性設備未來一種非常有前景的版本，就是利用磁電效應，通過電場切換設備的磁性。然而，現有的磁性設備一般需要巨大的磁場和電場，但是這些磁場和電場非常難以製造和容納。
創新
解決這一問題的潛在方案之一，是一種由氧化鉻（Cr2O3）製成的新型開關元件。有朝一日，它有望用於計算機存儲器和閃存驅動器。研究人員將他們的研究成果發表於美國物理學會出版的《應用物理快報（Applied Physics Letters）》雜誌。
下圖中(a) 和 (b) 分別為提議的開關元件的側視圖和俯視圖，中間是氧化鉻，由一個阻滯磁場的磁分路圍繞著，而頂部是讀出設備。
技術
計算機存儲器由開關元件組成，這種微型設備可被打開或者關閉，從而將比特信息存儲為0或者1。之前的研究人員發現，氧化鉻的磁電特性表明，它只需要一個電場就可以進行“切換”，但是切換還需要靜態磁場。在這些元件基礎上，Victora 和 Rizvi Ahmed 設計出一種以氧化鉻為核心的存儲器件，它無需任何外部施加的磁場就可以運行。
他們的設計用磁性材料圍繞著氧化鉻，這樣通過量子力學提供了一種與鉻磁矩耦合的有效磁場，同時也通過能阻止附近設備產生雜散磁場的方式進行排列。一個位於設備頂部的元件可讀出設備狀態，從而判斷它是0還是1。這樣有望將更多的存儲器包裝到更小的空間中，因為氧化鉻和磁體之間的界面是耦合的關鍵，而這種耦合使得設備能夠運行。隨著設備尺寸減小，相比於體積，界面的表面積會變大，從而改善設備的功能。這種特性與傳統半導體設備相比是一個有利條件，在傳統半導體設備中，尺寸減小而表面積增大將導致更多的電荷洩露與熱量損失。
價值
論文作者之一、明尼蘇達大學研究員 Randall Victora 表示：“這種設備具有更好的縮放潛能，因此可以被製造得更小，一旦經過適當的精加工，將變得更加節能。”
未來
下一步，Victora 和Ahmed 將與進行氧化鉻研究的同事們展開合作，構造並測試該設備。如果製造成功，那麼新設備將有望取代計算機中的動態隨機存取存儲器。
Victora 表示：“DRAM 是一個巨大的市場。它提供了一種位於計算機內的快速存儲器，但是問題是它洩露了許多電荷，因此能量效率非常低下。” DRAM 也是易失性的，所以一旦電源斷電，信息就會消失，如同電腦死機會時會清除未保存的文件數據。正如論文中所描述的，這種設備將是非易失性的。
然而，這種存儲設備可能需要花很多年才會變得完善。其中一個顯著的障礙就是設備的耐熱性。計算機產生了許多熱量，模型預測表明，在30攝氏度左右設備將停止工作，這個溫度在夏天很常見。或許，在氧化鉻中摻雜其他成分進行優化，將會改善其功能，使其更適合取代現有的存儲設備。
關鍵字
存儲器、磁、量子、半導體、計算機
【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/design-magnetoelectric-device-may-improve-your-memory?TRACK=aipp-china
【2】R. Ahmed, R. H. Victora. A fully electric field driven scalable magnetoelectric switching element. Applied Physics Letters, 2018; 112 (18): 182401 DOI: 10.1063/1.5023003
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