Скрученные атомные магнитные туннельные переходы с несколькими неволатильными состояниями

Хранение не только нулей и единиц

Современные цифровые устройства в основном оперируют в чёрно‑белой логике: каждый крошечный элемент памяти хранит либо ноль, либо единицу. В этой статье рассматривается способ поместить более чем два стабильных значения в одном ультра‑малом магнитном устройстве, сделанном из листов атомов. Тщательно скручивая эти атомно‑тонкие магнитные слои, исследователи показывают, что один переход может надёжно удерживать несколько различных состояний без питания, что даёт перспективу для более плотной памяти, новых видов вычислений и устройств, приближающихся к предельным масштабам миниатюризации.

От классических магнитных битов к атомным стопкам

Магнитные туннельные переходы уже лежат в основе современной магнитной памяти и считывающих головок жёстких дисков. В классическом переходе два магнитных металлических слоя разделены чрезвычайно тонким изолирующим барьером. Электронам легче «туннелировать» через этот барьер, когда намагниченности в двух слоях направлены в одну сторону, чем когда они противоположны, что даёт два уровня сопротивления, кодирующие ноль и единицу. Эта схема доказала свою надёжность и масштабируемость, но она по‑прежнему собирается из относительно толстых, несовершенных оксидных барьеров и по сути ограничена двумя устойчивыми состояниями.

Почему скрученные атомные слои меняют правила игры

Авторы обращаются к материалу под названием CrSBr — полупроводнику, сохраняющему магнитные свойства даже в виде одноатомного слоя. В естественном виде две такие плёнки оказываются связанными так, что намагниченности внутри каждого листа выравниваются параллельно, а между листами ориентированы навстречу. При использовании в качестве барьера между проводящими контактами такая двуслойная структура уже действует как «атомный» туннельный переход. Ключевая идея здесь в том, что поворот одного слоя CrSBr относительно другого — создание скрученного интерфейса — по сути разрушает обычную сильную связь между слоями. Каждый скрученный граница может поддерживать два различных стабильных выравнивания магнитных моментов, что преобразуется в два разных состояния проводимости даже в отсутствии внешнего магнитного поля.

Создание устройств с двумя и четырьмя устойчивыми уровнями

Сначала исследователи укладывают один монослой CrSBr поверх натурального бислоя CrSBr, формируя трёхслойную структуру с одним скрученным интерфейсом. Нижний бислой остаётся сильно зафиксированным в антипараллельной конфигурации, выступая в роли жёсткого эталона, в то время как скрученный интерфейс сверху может установиться либо в квазипараллельном, либо в квазиипараллельном (антипараллельном) состоянии. Тщательные измерения при переменных магнитных полях показывают, что ток через этот атомного масштаба переход воспроизводимо переключается между двумя уровнями при нулевом поле, с изменениями сопротивления, достигающими нескольких сотен процентов в оптимизированных устройствах. Поскольку лежащий в основе бислой обеспечивает сильное «запирание», эти два состояния оказываются необычно стабильными при многих циклах и в широком диапазоне направлений поля.

Преобразование одного скрученного интерфейса в многоуровневый элемент

Затем авторы расширяют конструкцию, добавляя второй монослой CrSBr под бислоем, создавая четырёхслойную стопку с двумя скрученными интерфейсами: монослой/бислой/монослой. Теперь как верхний, так и нижний монослои могут независимо принимать одно из двух ориентиров относительно центрального бислоя. В совокупности это даёт четыре различных магнитных конфигурации, каждая из которых обеспечивает разный туннельный ток при нулевом поле. Эксперименты при очень низких температурах показывают четыре хорошо разделённых воспроизводимых уровня тока. Управляя направлением и величиной умеренных магнитных полей, команда демонстрирует, что любое из этих четырёх состояний можно перевести в любое другое — либо напрямую, либо через последовательность переключений, тем самым эффективно реализуя управляемую четырёхуровневую ячейку памяти в одном атомном переходе.

К более богатой магнитной памяти и вычислениям

Помимо этих конкретных стопок, авторы показывают, что аналогичные идеи работают, когда все слои антиферромагнитны, что даёт три неволатильных уровня в устройстве, сделанном из трёх скрученных бислоёв. В совокупности результаты доказывают, что простое добавление скрученных интерфейсов внутри ван‑дер‑Ваальсовых магнитных материалов может умножить число устойчивых уровней сопротивления в одном переходе. Для неспециалиста это означает путь к элементам памяти, которые хранят несколько значений вместо простого нуля или единицы, в устройствах толщиной всего в несколько атомов. Такие многоуровневые ультратонкие магнитные туннельные переходы в будущем могли бы разместить гораздо больше информации на той же площади и обеспечить новые типы нейроподобных или энергоэффективных вычислительных архитектур.

Цитирование: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

Ключевые слова: магнитные туннельные переходы, скрученные 2D-магниты, многоуровневая память, CrSBr, спинтроника