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科学家在二氧化钌中发现一种新型磁性状态，有望催生更快、更密集、更可靠的存储芯片，这或将直接成为下一代人工智能发展的核心驱动力。
研究人员在二氧化钌中发现了一种新的磁性特性，可能开启更快、更密集的存储技术。图片来源：AI/ScienceDaily.com
一个由日本国立材料科学研究所、东京大学、京都工艺纤维大学和东北大学组成的国际研究团队证实，超薄二氧化钌薄膜具有交换磁性。这一特性使其成为科学家目前公认的第三种基本磁性材料。交换磁性材料正受到广泛关注，因为它有望突破当前磁性存储技术的关键瓶颈，实现更快速、更紧凑的数据存储，这对于处理海量数据的 AI 系统至关重要。
研究还发现，通过精确调控二氧化钌薄膜在制备过程中的晶体结构取向，可以进一步提升其性能。相关成果已发表于《自然·通讯》杂志。
为何要寻找新型磁性材料？
二氧化钌长期以来被视为交换磁性的潜力材料——这是一种新近提出、不同于传统类型的磁性形式。当前存储设备中常用的铁磁材料虽易于通过外部磁场写入数据，却容易受到杂散磁场干扰，可能导致读写错误，并限制存储密度的提升。
反铁磁材料对抗外部磁干扰的能力较强，但其内部的磁自旋相互抵消，导致难以用电信号读取存储信息。因此，科学界一直在寻找兼具磁稳定性、电可读性，并理想情况下支持重复读写的材料。交换磁性材料被认为可能实现这一平衡，然而全球范围内对二氧化钌的实验结果差异较大，且高质量、晶体取向一致的薄膜制备困难，拖慢了相关研究进展。
团队如何验证交换磁性？
该研究团队成功在蓝宝石衬底上制备出具有单一晶体取向的二氧化钌薄膜，突破了上述瓶颈。通过精选衬底并精细调控生长条件，他们实现了对晶体结构取向的控制。
利用 X 射线磁线性二色性技术，研究人员绘制了薄膜中的自旋排列与磁序图谱，证实其总磁化强度（即 N - S 极）相互抵消。同时，他们观测到自旋分裂磁阻效应——电阻随自旋方向变化，这为自旋分裂电子结构提供了电学证据。
实验结果与基于第一性原理的磁晶各向异性计算相符，共同证实二氧化钌薄膜表现出交换磁性。这些发现强有力地支持了该类薄膜在下一代高速、高密度磁性存储设备中的应用潜力。
走向更快速、更高效的存储设备
基于此项研究，该团队计划开发基于二氧化钌薄膜的先进磁性存储技术。借助交换磁性材料固有的速度与密度优势，这类设备有望支持更快速、更节能的信息处理，从而为人工智能应用提供强大的底层硬件支持。
研究过程中建立的基于同步辐射的磁性分析方法，也有助于科学家识别和研究其他交换磁性材料。该方法可加速自旋电子学领域的发展，并为未来电子器件开辟新的可能性，最终推动以 AI 为代表的新一代信息技术革命。
