具有多重非易失态的扭曲原子级磁性隧道结

存储的不止零与一

当今的数字设备大多按二进制思维工作：每个微小的存储单元只能保存零或一。本文探讨了一种方法，能够在由原子薄片构成的单个超小磁性器件中存放超过两个的稳定值。通过精确扭转这些原子厚度的磁性层，研究人员展示了一种结点在无电源状态下也能可靠维持多个不同状态的方式，这暗示了更高密度的存储、新型计算形式以及接近极限微缩的器件可能性。

从传统磁性比特到原子级堆叠

磁性隧道结已是现代磁存储和硬盘读头的核心构件。在传统结中，两个磁性金属层由极薄的绝缘势垒隔开。当两层的磁化方向一致时，电子更容易“隧穿”这个势垒，电阻较低；而当方向相反时，隧穿受阻、电阻较高，从而形成编码零和一的两种电阻水平。这一设计被证明既稳健又可扩展，但它仍采用相对较厚且不完美的氧化物势垒，并在根本上仅限于两种稳定态。

为什么扭曲原子层改变了局面

研究团队选用了一种名为CrSBr的材料，这种半导体即便削薄到单层也保持磁性。在其天然堆叠形态中，两个这样的单层在层内磁矩倾向于排列一致，而层间则呈相反方向耦合。当用作导电接触之间的势垒时，这种双层已经可被视为一个“原子级”隧道结。关键洞见在于：相对旋转一层CrSBr以形成扭曲界面，会在很大程度上削弱通常存在的强层间耦合。每个扭曲界面因此可以支持两种不同且稳定的磁矩排列，而这些排列即使在没有外加磁场时也对应两种截然不同的导电态。

构建具有两级和四级稳定状态的器件

首先，研究人员将一层CrSBr单层放置在天然双层CrSBr之上，形成一个具有单个扭曲界面的三层结构。下方的双层保持强烈的反并行锁定，充当刚性的参考层，而上方的扭曲界面可以落入准并行或准反并行的排列中。精细的磁场扫描表明，该原子尺度隧道结的电流可以可重复地在两种零场电平之间切换，并且在优化器件中电阻变化可达数百个百分点。由于下层双层提供了强烈的“钉扎”作用，这两种状态在多次循环和各种场向下表现出异常稳定性。

将单个扭曲界面变成多级元件

作者随后通过在双层下再添加一层CrSBr单层扩展了设计，形成具有两个扭曲界面的四层堆叠：单层/双层/单层。现在，上下两个单层都可以相对于中央双层独立地采纳两种取向。组合起来，这产生了四种不同的磁性构型，每一种在零场下对应不同的隧穿电流。在极低温度下的实验显示出四个良好分离且可重复的电流电平。通过调控适度磁场的方向和强度，团队演示了可将这四种状态中的任意一种直接或通过一系列切换步骤转为任意另一种，从而在单个原子级结中实现了可控的四级存储单元。

迈向更丰富的磁性存储与计算

超越这些具体堆叠，作者还展示了当所有层均为反铁磁时，类似思路同样可行：由三个扭曲双层构成的器件可产生三个非易失电平。总体而言，结果证明仅在范德瓦尔斯磁性材料内部加入扭曲界面，就能成倍增加单个隧道结中可用的稳定电阻态数。对非专业读者而言，这意味着有望在仅几层原子厚的器件中实现能够存储多个数值而非仅零或一的存储元件。此类多级、超薄的磁性隧道结未来可能在相同面积内存储更多信息，并催生新型类脑或能效更高的计算架构。

引用: 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

关键词: 磁性隧道结, 扭曲二维磁体, 多级存储, CrSBr, 自旋电子学