工程師們發現了一種金屬化合物，可以使更有效的計算機內存形式更接近商業化，減少計算的碳足跡，實現更快的處理速度，并允許在單個設備上而不是遠程服務器上進行人工智能訓練。

自旋軌道扭矩磁阻隨機存取存儲器（SOT-MRAM）有可能比當前方法更快，更有效地存儲數據，當前方法使用電荷存儲數據，并且需要連續的電源輸入來維護該數據。 （圖片來源：Shutterstock/raigvi）

“在我看來，我們已經從互聯網時代過渡到人工智能時代，”斯坦福大學工程學院利蘭·T·愛德華茲教授王珊說。“我們希望在邊緣啟用人工智能 - 在您的家用計算機，手機或智能手表上進行本地訓練 - 用于心臟病發作檢測或語音識別等。要做到這一點，你需要一個非常快速的非易失性存儲器。

Wang和他的同事近發現了一種材料，可以使一種新型記憶更接近商業化。在《自然材料》雜志上發表的一篇新論文中，研究人員證明，一種叫做錳鈀三的金屬化合物的薄層具有必要的特性，以促進一種以電子自旋方向存儲數據的工作記憶形式。這種存儲器存儲方法，稱為自旋軌道扭矩磁阻隨機存取存儲器或SOT-MRAM，有可能比當前方法更快，更有效地存儲數據，當前方法使用電荷存儲數據，并且需要連續的功率輸入來維護該數據。

“我們為未來的節能存儲元件提供了基本的構建模塊，”王說。“這是非常基礎的，但這是一個突破。

利用電子自旋

SOT-MRAM依賴于電子的內在特性，稱為自旋。為了理解旋轉，將電子想象成一個旋轉的籃球，平衡在職業運動員的手指末端。因為電子是帶電粒子，旋轉將電子變成一個微小的磁鐵，沿其軸極化（在這種情況下，從手指延伸的一條線平衡球）。如果電子開關旋轉方向，磁鐵的南北極就會開關。研究人員可以使用磁性的向上或向下方向（稱為磁偶極矩）來表示構成計算機數據位和字節的 1 和 0。

MnPd3材料中的非常規z自旋極化。 （圖片來源：王氏集團）

在SOT-MRAM中，流過一種材料（SOT層）的電流產生特定的自旋方向。這些電子的運動，加上它們的自旋方向，產生一個扭矩，可以切換相鄰磁性材料中電子的自旋方向和相關磁偶極矩。使用正確的材料，存儲磁性數據就像切換SOT層中的電流方向一樣簡單。

但找到合適的SOT材料并不容易。由于硬件的設計方式，當電子自旋方向在z方向上向上或向下定向時，可以更密集地存儲數據。（如果你想象盤子里的三明治，x和y方向沿著面包的邊緣，z方向是穿過中間的牙簽。不幸的是，如果電流在x方向上流動，大多數材料會在y方向上極化電子自旋。

“傳統材料只在y方向上產生自旋 - 這意味著我們需要一個外部磁場來使z方向的開關發生，這需要更多的能量和空間，”王實驗室的博士后研究員Fen Xue說。“為了降低能量并具有更高密度的內存，我們希望能夠在沒有外部磁場的情況下實現這種切換。

研究人員發現，錳鈀三具有它們所需的特性。這種材料能夠在任何方向上產生自旋，因為它的內部結構缺乏那種會迫使所有電子進入特定方向的晶體對稱性。使用錳鈀三，研究人員能夠證明在y和z方向上的磁化切換，而無需外部磁場。雖然手稿中沒有證明，但X方向磁化也可以在沒有外部磁場的情況下切換。

“我們的輸入電流與其他傳統材料相同，但我們現在有三個不同的自旋方向，”Mahendra DC說，他是斯坦福大學的博士后研究員，也是該論文的作者。“根據應用的不同，我們可以將磁化控制在我們想要的任何方向上。

DC和Wang贊揚了多學科和多機構的合作，使這些進步成為可能。“內布拉斯加大學的Evgeny Tsymbal實驗室領導了預測意外自旋方向和運動的計算，美國標準與技術研究所的Julie Borchers實驗室領導了測量和建模工作，以揭示錳鈀三中復雜的微觀結構，”王說。“這真的需要一個村莊。

制造可能性

除了其對稱性破壞結構外，錳鈀三還具有其他一些特性，使其成為SOT-MRAM應用的候選者。例如，它可以通過電子設備需要經歷的退火后過程來生存并保持其特性。

“退火后要求電子設備在400攝氏度下30分鐘，”DC說。“這是這些設備中新材料面臨的挑戰之一，錳鈀三可以處理這個問題。

此外，錳鈀三層是使用稱為磁控濺射的工藝創建的，這是一種已經在內存存儲硬件的其他方面使用的技術。

“這種材料不需要新的工具或新技術，”薛說。“我們不需要有紋理的基材或特殊條件來沉積它。

其結果是一種材料，不僅具有新穎的特性，可以幫助滿足我們不斷增長的計算需求，而且可以順利地適應當前的制造技術。研究人員已經在研究使用錳鈀三的SOT-MRAM原型，這些原型將集成到實際設備中。

“我們正在用當前的技術碰壁，”DC說。“所以我們必須弄清楚我們還有什么其他選擇。