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磁性材料是当今数字信息技术的支柱，在硬盘存储等技术中得到广泛应用。近期，华盛顿大学领导的科研团队开发出利用层状磁性材料进行信息编码的原子级超薄磁性器件，可大幅提升数据存储密度和能量效率。这一突破性进展有望为存储技术带来新的变革，将彻底改变云计算和消费电子业的技术现状。研究成果已于5月3日在《科学》杂志在线发表。
研究人员在2开尔文的低温环境下，根据电子的自旋方向利用堆叠的超薄磁性材料对电子施加了前所未有的控制。在这个过程中，电子自旋被看作微小的亚原子磁体。研究人员在实验中所使用的核心磁性材料是层状三碘化铬（CrI3）。该材料在2017年被认为是首个被发现的二维磁性绝缘体材料。
整个超薄磁性器件可以看作是一个由六方氮化硼、石墨烯和三碘化铬三种层状二维材料堆叠而成的磁性隧道结（sf-MTJ），可依据电子自旋方向对电子进行过滤。其中最为核心的部分是由石墨烯传导层和中间的两层三碘化铬构成的三明治结构。随着施加电压大小的变化，三明治结构中的磁场也会发生改变。当磁场强度为0时，两层三碘化铬中的电子自旋方向相反，电流将无法通过隧道结；当磁场强度增大到一定数值后，两层三碘化铬中的电子自旋方向一致，将不再对电流产生阻挡作用。这两种不同的磁阻形式便可看作是构成信息编码基本单位比特的“0”和“1”。
此外，当研究人员将中间三碘化铬的层数增加到四层时，发现超薄磁性器件还有实现“多位”信息存储的潜力，且能大幅提升系统对电流的控制能力，从而实现更加高效的大数据量存储。
研究人员认为他们的工作揭示了将磁性存储技术推向原子级厚度极限的可能性。随着信息的爆炸性增长，当前所面临的最大挑战是如何在增加数据存储密度的同时有效的降低存储功耗。超薄磁性器件不仅能大幅提升数据的存储密度，而且器件的存储功耗也比当前存储器小一个数量级以上。虽然目前的超薄磁性器件需要在适度的磁场强度和理想的低温环境下才能工作，在当前的技术条件下还难以实现，但这种器件的概念和运行原理是新颖的和具有开创性的。如果随着磁场电学控制技术的发展，能够实现超薄磁性隧道结在室温下的高效磁场控制，该技术将为数据存储技术带来改变游戏规则式的变革。
