當你把一張圖片保存到你的智能手機上時，這些數據被寫入微小的晶體管，這些晶體管以 “比特 “的模式被電動打開或關閉，以表示和編碼該圖像。今天，大多數晶體管是由硅製成的，科學家已經設法將這種元素以越來越小的規模進行轉換，使數十億比特，以及因此而產生的大型圖像和其他文件庫，能夠被裝入單個存儲芯片。
但是，對數據以及存儲數據的手段的需求不斷增長，正促使科學家們在硅之外尋找能夠將存儲設備推向更高密度、速度和安全性的材料。現在，麻省理工學院的物理學家們已經展示了初步證據，數據可能以反鐵磁體製成的更快、更密、更安全的比特形式存儲。
反鐵磁性或AFM材料是鐵磁體或傳統磁性材料鮮為人知的表親。鐵磁體中的電子同步旋轉，這一特性使羅盤指針指向北方，共同追隨地球的磁場，而反鐵磁體中的電子則喜歡與它們的鄰居相反的旋轉，這種 “反排列 “即使在最小的尺度上也能有效地抑制磁化。
在開啟和關閉反鐵磁性的過程中，麻省理工學院的物理學家可能已經找到了一條通往更快、更密集、更安全的存儲設備的道路。反鐵磁體中沒有凈磁化，使其不受任何外部磁場的影響。如果它們被製成存儲設備，反鐵磁位可以保護任何編碼的數據不被磁力擦除。它們還可以被製成更小的晶體管，並比傳統的硅更多地被裝入每塊芯片。
現在，麻省理工學院的團隊發現，通過向反鐵磁性材料中摻入額外的電子，他們可以以一種可控的方式打開和關閉其集體反排列。他們發現這種磁轉換是可逆的，而且足夠尖銳，類似於將一個晶體管的狀態從0切換到1。這項成果於2021年5月6日發表在《物理評論快報》上，展示了將反鐵磁體作為數字開關的潛在新途徑。
為了改善數據存儲，一些研究人員正在尋找MRAM，或稱磁阻式RAM，一種將數據存儲為由傳統磁性材料製成的比特存儲系統。原則上，一個MRAM設備將由數十億的磁位組成。為了對數據進行編碼，設備內的局部磁域的方向被翻轉，類似於將一個晶體管從0切換到1。MRAM系統有可能比硅基設備更快地讀取和寫入數據，並能以更低的功率運行。但是它們也可能容易受到外部磁場的影響。
相反，反鐵磁體不受外部磁場的影響，因此可以成為MRAM更安全的替代品。實現可編碼AFM比特的一個重要步驟是能夠開啟和關閉反鐵磁性。研究人員已經找到了各種方法來實現這一點，主要是通過使用電流將材料從有序的反排列切換到隨機無序的自旋。
但缺點是，每次你需要電流來讀取或寫入，每次操作需要大量能量，產生大量熱量。在最新新研究中，他們使用了鎳酸釹，一種在拉馬納森實驗室生長的反鐵磁氧化物。這種材料表現出納米域，由自旋與相鄰原子相反的鎳原子組成，並由氧和釹原子固定在一起。研究人員以前曾繪製過這種材料的分形特性圖。自那時起，研究人員一直在尋找他們是否能夠通過摻雜來操縱該材料的反鐵磁性，這是一個有意在材料中引入雜質以改變其電子特性的過程。在他們的案例中，研究人員通過剝離材料中的氧原子來摻入釹氧化鎳。
當一個氧原子被移除時，它留下了兩個電子，這些電子在其他鎳原子和氧原子中被重新分配。研究人員想知道，剝離許多氧原子是否會導致多米諾骨牌效應的無序，從而關閉材料的有序的反排列。為了測試他們的理論，他們生長了100納米薄的氧化釹薄膜，並將其放置在一個缺氧室中，然後將樣品加熱到400攝氏度的溫度，以鼓勵氧氣從薄膜中逸出並進入室中的大氣。隨着他們逐漸去除更多的氧氣，他們使用先進的磁性X射線晶體學技術研究了這些薄膜，以確定材料的磁性結構是否完好無損，這意味着其原子自旋仍處於有序的反排列狀態，因此保留了反鐵磁性。如果他們的數據顯示缺乏一個有序的磁結構，這將證明該材料的反鐵磁性已經關閉，由於充分的摻雜。
通過他們的實驗，研究人員能夠在某個臨界摻雜閾值關閉材料的反鐵磁性。他們還可以通過在材料中重新添加氧氣來恢復反鐵磁性。既然研究小組已經證明了摻雜能有效地開關AFM，科學家們可能會使用更實用的方法來摻雜類似的材料。例如，硅基晶體管是使用電壓激活的 “門 “進行開關的，在那裡，一個小電壓被施加到一個位上以改變其導電性。反鐵磁位也可以使用合適的電壓門進行開關，這將需要比其他反鐵磁開關技術更少的能量。
這可能為開發一種磁存儲設備提供了機會，它的工作原理與硅基芯片類似，還有一個好處是用戶可以在AFM域中存儲信息，這些域非常堅固，可以以高密度包裝，這是解決數據驅動世界挑戰的關鍵。