Science最新成果：走进单原子存储器——单钬（Ho）原子可作为稳定磁存储器

【摘要】

荷兰奈梅亨大学和美国IBM 阿尔马登研究中心的科学家最近在Science发文，针对使用单原子磁铁时保持磁性这一固有难题，总结得出单一钬（Ho）原子具有剩磁性，温度上限可达40 K，且大小和稳定性远高于原子尺度为3-12个磁铁原子的现有记录。并指出单原子磁铁集合能够用作未来的存储设备，在工程上也可以为旋转磁场中心的磁力耦合器提供一个适宜的路径。

【解读】

单原子磁铁集合存储信息是数据存储技术小型化的核心，每一个原子由两个方向可存储少量信息。然而，剩磁很难在单原子中实现，因为要削弱外界环境波动的影响，将不可避免地破坏磁性区，使磁性存储器信息被擦除。最近研究者们试图在单原子中找到剩磁，结果却与磁性基态矛盾。因此，到目前为止，给单原子磁铁的性能定义仍是一个悬而未决的问题。

【研究内容】

图为单原子存储器:（A）磁矩方向代表0或1状态（B）磁各向异性MAE原理.

在单原子磁铁中，每个原子有两个不同的磁矩，可以存储少量信息（用0或1状态表示）。如图（A）所示，Ho原子在MgO上存在两种磁矩，用颜色加以区分，其中蓝色代表状态“1”，红色代表状态“0”。若没有外界磁场时，在有效的时间和温度下，将信息保存在一个很小的区域，这对我们来说异常艰难。想要将原子吸附在单层表面就需要剩磁，克服很大的势垒，必须使两种不同的磁性基态分离，才能实现这一想法。

如图（B）所示，磁各向异性（MAE）表明Co原子吸附在大块的Pt表面，在与MAE相适的温度下，磁矩应该“冻结”在势垒的一侧。利用X射线吸收谱（XAS）和扫面隧道显微镜（SEM）发现，可在充分低温环境下实现剩磁。此时Co原子的磁各向异性已经接近理论极限，由于单原子自旋量子特性，使得观察单原子磁铁的剩磁现象仍然变得不可捉摸。

在两重和四重对称环境下，单原子的磁各向异性代表着能量势垒。对两重对称环境来讲，单电子通过越过势垒，使得磁性状态发生反转，即由“0”变为“1”，如图（B）左侧原理所示。然而，在四重对称环境下，由于单个原子周围有两个或更多的原子需要吸收能量，越过能量势垒，抑制了磁性状态反转的发生，即“0”不能变为“1”，如图（B）右侧原理所示。

Donati等为MgO上的Ho 原子创造出四重对称环境，利用对给定磁场旋转方向敏感的圆偏振XPS和XMCD仪器分析，观测到全部的Ho 原子出现磁滞和剩磁现象。结合计算结果，他们证明在四重对称环境下，单电子过程受到抑制，只允许涉及到两个或更多电子的高阶进程发生，使Ho 原子基态得以保持，从而可以观测到剩磁。同时在不同厚度的MgO绝缘层都证实了这一结果。局部4f轨道和MgO的一些原子层能从银金属电极分离Ho磁矩，使电子散射流程以及声子作用可能性非常小，最终可成功得到一个单原子磁铁。

【结论】

基于目前研究成果，科学家们开展的实验越来越侧重于单个原子自旋方向的动态操控，这是单原子磁铁应用在量子存储和处理技术方面至关重要的工作。另外，探索更高温度下剩磁的可行性应用以及用电流对单个原子进行一次读取和写入，是单原子存储器未来研究不可避免的话题。我们有充分的理由相信，在不久的未来，随着单原子存储器在信息领域的推广应用，人类会有更加绚丽多彩的生活，我们期盼着那一天的到来！

【备注】

该研究成果近期发表在Science上，论文链接：Toward single-atom memory（非原网页读者请到材料牛下载）

该文献解读由材料人科普团队学术组hukewen投稿，材料牛编辑整理。

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