支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
什麼將取代今天的硬碟驅動器和快閃記憶體裝置？前者往往速度較慢，後者不適合長期使用。還有 RAM，其許多形式都是易失性的——關閉電源，資料就會丟失。這些缺點，以及驅動大多數技術創新的相同需求——使其更小、更快、更便宜、更不易發生故障——近年來產生了一些候選資料儲存技術，所有這些技術都提供了一些優於當今廣泛使用的裝置的優勢。
但這些優勢是有代價的：新技術通常涉及增加的複雜性，或者至少是未充分探索的物理學。後一種描述當然適用於跑道儲存器，這是一種擬議的方案，其中資料位被編碼為奈米線上的磁化區域，沿著奈米線“跑道”來回移動，並經過讀/寫頭。在標準硬碟驅動器中，磁頭在資料上移動，就像唱機上的唱針在唱片上移動一樣，選擇它需要訪問的磁碟部分。在跑道儲存器中，磁頭保持不動，資料會移動到磁頭處。該技術的一個吸引人的特點是跑道可以排列成三維森林，從而實現比當前二維方案中密度大得多的資料儲存密度。但是在跑道儲存器能夠擠入使用之前，必須清除幾個障礙，其中最重要的是要了解這種系統如何在基本的物理層面上工作。
現在，一個領先的跑道儲存器小組在12月24日出版的《科學》雜誌上報告了一項發現，該發現增進了這種理解，並使跑道儲存器看起來更可行。物理學家斯圖爾特·帕金和他在加利福尼亞州聖何塞市 IBM 阿爾馬登研究中心的同事們著手確定磁化區域在電流驅動下如何在奈米線中移動。他們發現磁化位表現出慣性——也就是說，它們不會瞬間達到速度，也不會在電流移除的瞬間停止。但是，非常方便的是，位的運動的加速和減速階段以可預測、可控制的方式協同工作。
在奈米線跑道中，移動的不是導線本身，而是導線內離散的磁化包。每個磁化包構成一個位，因此沿途移動位實際上構成了移動疇壁的邊界，疇壁是分隔相反磁化區域的邊界——本質上，是分隔 0 和 1 的牆壁。電流可以做到這一點；當電子穿過疇壁並感覺到其自身的磁指向或自旋從一個方向翻轉到另一個方向時，它會迫使奈米線內的原子也翻轉磁方向以進行補償。大量金屬奈米線原子的集體翻轉，由電流中大量電子強迫，移動了疇壁——以及它分隔的資料位——沿途移動。
帕金說：“梯子上的新橫檔是我們做了一些實驗來揭示當您嘗試使用自旋極化電流操縱疇壁時，疇壁的確切響應方式。”研究人員追蹤了厚度為 20 奈米、寬度為 200 奈米的鐵鎳奈米線中疇壁的運動，發現將疇壁加速到其 138 米/秒（約 500 公里/小時）的終端速度大約需要 10 納秒。減速或滑行停止大約需要相同的時間。
之前的一些研究發現，疇壁覆蓋的距離與用於驅動它的電脈衝的長度成正比，這暗示疇壁的移動可能沒有慣性——也就是說，它們要麼以最高速度移動，要麼根本不移動。帕金的研究小組發現，脈衝長度和行進距離之間存在整齊關係的原因不是疇壁沒有慣性，而僅僅是它們運動的加速和滑行階段相互平衡。“我們發現的，以及讓我們驚訝的是，它滯後的距離正好被它在自身慣性下移動的距離所彌補，”帕金說。“由於這兩種競爭效應，看起來疇壁沒有慣性——或者如果您願意，沒有質量。”
該發現的意義在於，跑道儲存器裝置可以透過簡單地改變用於推動位沿途移動的電脈衝的長度來控制其位的流動。這當然很方便，但更重要的是，這項研究有助於鞏固研究人員對該技術關鍵物理方面的理解，使其實現更接近現實。
帕金說，這項新研究，以及過去幾年中的其他基本步驟，使跑道儲存器前景光明。“我們相信我們現在非常瞭解電流如何移動疇壁，並且跑道的基本底層物理原理是有效的，”他說。“主要的障礙實際上與整合有關：如何構建大量這些跑道並將它們與讀/寫裝置整合。”
無論跑道儲存器是否最終進入手持裝置和臺式計算機，似乎一些新技術將會出現來取代現在使用的儲存裝置。“最終，而且可能很快就會發生，”帕金說，“這些現有技術將達到它們的基本障礙，這些障礙將非常難以克服。”