环磁性作为走向抗铁磁体非易失四态存储的途径

为什么四态存储很重要

我们的手机、笔记本和数据中心依赖简单的零和一来存储信息，但随着速度和容量需求的增长，这种二进制编码开始面临压力。这项研究探索了一种新的信息存储方式，利用一种材料自然地记忆不仅两个而是四个不同的状态。通过利用抗铁磁体中一种称为环磁性的细微磁性，研究人员勾画出一条通向更致密、更稳定存储器件的路径，可能帮助推动计算超越当今硅技术的极限。

传统电子学的局限

几十年来，电子行业遵循摩尔定律，不断在芯片上集成更多晶体管以提升性能。但当元件缩小到量子效应开始影响可靠性的尺度时，这一趋势正在放缓。作为回应，一个称为自旋电子学的领域出现了，试图利用电子自旋及其微小的相关磁矩，而不仅仅是电荷。其中一种尤其有吸引力的材料类别是磁电材料，它们将电学和磁学性质耦合，使得电场可以比单独的磁场更快、更低能耗地写入磁信息。

超越两态比特

大多数现有的存储技术将数据编码为两种状态，例如向上或向下的磁化，形成二进制比特的基础。然而，磁电材料打开了由外场控制的多于两种稳定态的可能性。先前关于四态或四进制存储的演示通常依赖由多层组成的复合结构，并包含易受外来磁场影响的铁磁体。本工作则聚焦于单一的大体积晶体——抗铁磁体，其内部磁矩互相抵消，使其天然抗外来磁噪声干扰。

具有四种磁模式的特殊晶体

研究团队研究了一种称为 LiNi0.8Fe0.2PO4 的化合物，它是已知磁电材料的轻微改良版本。在该晶体中，镍和铁原子上的微小磁矩以交替的首尾相连方式排列。随着晶体冷却，这些磁矩首先沿晶体的一个方向对齐，然后在一个平面内逐渐倾斜。这种旋转结合晶体的固有对称性，导致存在四种不同的磁“畴”，在没有外来影响时它们同样可能。每个畴对应内部自旋的不同行列以及环矩的不同方向——一种将空间与时间不对称联系起来的甜甜圈状分布。

用交叉场写入四个状态

为确定能否单独选择并读取这四个畴，团队使用球面中子极化测定法，这是一种用极化中子束探测样品并在散射前后追踪中子自旋的技术。由于中子自旋对内部磁性极为敏感，中子自旋的旋转模式可作为每个磁畴的指纹。通过在冷却晶体时施加一个方向的电场和与之垂直的磁场，研究人员表明他们可以一次偏好某一个特定畴。在中等温度下，交叉场控制哪两个环磁畴中的一个占优，而在更低温度下，微调磁场方向可以在每个环磁畴内选择两个取向变体，从而产生四个不同的、非易失的状态。

材料如何在断电后保持记忆

一个关键观察是，一旦样品在选定的电场和磁场组合下冷却，这些场可以移除而畴结构仍保持稳定。后续中子测量确认，在没有外加场的情况下，被选定的畴在低温范围内持续存在。作者将这种行为与一种微妙的相互作用——德日亚洛辛斯基–莫里亚（Dzyaloshinskii–Moriya）效应联系起来，该效应轻微扭转相邻自旋并有助于根据冷却时场的应用方式锁定首选畴。这一机制解释了为何电场和磁场作为两个独立的“控制手柄”可以在四种可能性之间进行选择。

这对未来存储器件意味着什么

尽管 LiNi0.8Fe0.2PO4 本身仅在极低温下工作，并不是现成的器件材料，但它作为一个清晰的模型展示了单相抗铁磁体中的四进制非易失存储。这项工作表明环磁性可用于编码四个对抗杂散磁场且在原则上兼容超快自旋动力学的稳健态。通过阐明如何将电场和磁场联合用于控制环磁畴，本研究为寻找相关材料提供了路线图，可能包括薄膜和室温条件下的候选材料，在这些情况下这类四态元件可显著提高存储密度并扩展未来自旋电子技术的设计空间。

引用: Qureshi, N., Painganoor, A., Larsen, M.C. et al. Toroidicity as a route towards non-volatile quaternary memory in antiferromagnets. Nat Commun 17, 4033 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70767-8

关键词: 抗铁磁存储, 环磁有序, 磁电材料, 自旋电子学, 四进制逻辑