保罗·谢勒研究所PSI和苏黎世联邦理工学院研究人员发现了纳米范围内的一种特殊磁性现象，使磁铁能够以不同寻常的结构组装，这可以用来建立计算机内存和开关，以提高微处理器的性能，这项研究结果已经发表在《科学》期刊上。

磁铁的特点是它们有北极和南极，如果两个普通磁铁靠得很近，相反的两极相互吸引，相同的两极相互排斥。这就是为什么磁针，比如罗盘上的磁针，会在地球磁场中排列。

博科园-科学科普：这样我们就可以用它们来确定基本的南北方向，并由此推断出东西方向。在我们每天用感官体验的世界里，这个规则是正确的。然而，如果你离开宏观世界，进入更小的维度，情况就会发生变化。Paul Scherrer研究所PSI和苏黎世联邦理工学院的研究人员现在发现，在只有几个原子厚度的磁性层构成纳米级结构中，存在一种非常特殊的磁相互作用。原子作用就像微小的罗盘针，在纳米范围内的微小距离上展开它们的作用，也就是百万分之几毫米。这就是为什么研究人员也称它们为纳米磁铁。

• 如果一组钴原子向北或向南排列(红色)，相邻的钴原子向西或向东排列(蓝色)。相邻原子的方向在平面内。这种相互作用需要将钴层夹在铂层(下图，米黄色)和氧化铝层(上图，这里没有显示)之间。图片：Paul Scherrer Institute/Zhaochu Luo

PSI研究人员现在能够观察到的现象，是基于两位物理学家伊戈尔·季亚罗辛斯基(Igor Dzyaloshinskii)和托鲁·玛利亚(Toru Mariya) 60多年前预测的相互作用。苏黎世联邦理工学院和PSI的物理学家罗兆初表示：那是我们的起点。在这种相互作用中，原子罗盘针不仅朝南北方向排列，而且朝东西方向排列。该研究的第一作者罗兆初(音译)表示：它们指向哪里取决于它们周围原子的方向。例如，如果一组原子指向北，相邻原子总是指向西。如果一组原子指向南方，那么相邻的原子就会向东运动。

这些方向可以被磁场或电流逆转，即从北到南，反之亦然。然后，相邻的原子群相应地调整自己的方向，从西到东或者从东到西。研究人员在只有1.6纳米厚的钴原子层帮助下发现了西北和东南方向的耦合，钴原子层夹在一边的铂层和另一边的氧化铝层之间。苏黎世联邦理工学院的教授罗兆初说：仅仅为了我们的实验，这些特殊层的开发就花了大约半年时间。不同寻常的是，这种相互作用是横向发生的，也就是在一个平面上。在此之前，类似的耦合只能在垂直方向上探测到，原子群排列在原子群之上。

• 该研究的第一作者罗兆初(音译)，在一个所谓的溅射沉积工具前，在该装置中产生了铂、钴和氧化铝层，每一层只有几纳米厚。图片：Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic

PSI和苏黎世联邦理工学院研究人员共同观察到的这一现象使平面磁场网络得以发展。此外，还可以生产合成的反铁磁体。在这些反铁磁体中，原子群以一定的间隔指向北方或南方。相反的纳米磁体数目大致相同，因此它们可以相互抵消。这就是为什么，乍一看，反铁磁体的作用不像磁铁——例如，它们不会粘在冰箱门上。相邻的原子，要么朝向西方，要么朝向东方，就像间隔物一样，将指向北方或南方的磁铁分开，每个磁铁只有几纳米大小，微型“指西针”或“指东针”也就诞生了，不过宏观现实生活中用处不大；但，例如这使得构建新的、更高效的计算机内存和开关成为可能，而这反过来又使微处理器更强大。

计算机逻辑门

单个纳米磁珠面朝北或朝南，适用于构造逻辑门。逻辑门是计算机的组成部分，起着开关的作用。信号进入这些门，然后被处理成输出信号。在计算机中，许多这样的门被连成网络来执行操作。这样的栅极也可以在向北或向南排列的纳米磁体帮助下建造。这些类似于目前常用的处理器，晶体管以二进制形式处理信号，将所有信号解释为0或1。

无论是向北还是向南定向的纳米磁体也可以做到这一点，这将使微处理器更加紧凑和高效。这项研究的负责人Pietro Gambardella和Laura Heyderman说：这项研究工作提供了一个平台来设计连接纳米磁网阵列，实现对平面逻辑门和存储设备的全电动控制。

博科园-科学科普｜研究/来自: Paul Scherrer研究所/Sebastian Jutzi

参考期刊文献:《科学》

DOI: 10.1126/science.aau7913

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