CN103827969A - 反铁磁性存储设备 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例的反铁磁纳米结构包括至少两个反铁磁耦合的原子的阵列，其具有至少两种磁性状态，所述磁性状态即使没有与外部结构的交互也能稳定至少一皮秒，阵列具有为零或大约为零的净磁矩，其中阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子。根据实施例的原子级结构具有为零或大约为零的净磁矩；两个或更多个稳定的磁性状态；并具有一个原子阵列，其具有在沿着一个或多个方向的相邻原子间交替的磁矩。这样的结构可被用来以超高密度存储数据。

Description

反铁磁性存储设备
技术领域
本发明涉及物理数据存储和计算的领域，且更具体地，本发明涉及在反铁磁性纳米结构中存储磁性信息的能力。
背景技术
将数字信息记录在磁性颗粒（magnetic grain）的磁性方向中的能力是信息技术设备中数据存储的核心。几十年来，在降低单个磁性元件的有效面积方面已有极显著的进步。该基本理念已被应用到磁性硬盘介质、磁带介质，且最近还被应用到固态实现，诸如自旋转移矩（spin-transfer torque）磁随机存取存储器。目前，所有这些设备使用磁性原子间的铁磁交互，所述磁性原子组成存储信息比特的有源器件元件。在磁盘和磁带驱动器中，磁性信息被磁阻传感器读取，磁阻传感器读取从铁磁比特发射的磁场。写入磁性元件是通过从写磁头创建强的局部化磁场而完成的。在固态磁性器件中，磁比特（magnetic bit）典型地是磁阻隧道结（magnetoresistivetunneling junction）的一部分，所述磁阻隧道结可用于读取和写入信息。
发明内容
根据一个实施例的反铁磁性纳米结构包括至少两个反铁磁耦合的磁性原子的阵列，其具有至少两种磁性状态，即使没有与外部结构的交互，所述磁性状态也可稳定至少一皮秒，所述阵列具有为零或接近零的净磁矩，其中所述阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子。
根据一个实施例的原子尺度结构具有为零或接近零的净磁矩；两种或更多稳定磁状态；并具有一原子阵列，其具有在沿着一个或多个方向的相邻磁原子之间交替的磁矩。
根据一个实施例的反铁磁纳米结构包括多个阵列，每个阵列对应于一个比特，每个阵列具有至少8个反铁磁耦合的磁性原子，每个阵列具有至少两个可读的磁性状态，其会稳定至少一皮秒，每个阵列具有为零或接近零的净磁矩，其中没有外部稳定结构对阵列施加影响以稳定阵列，其中每个阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子。
在又一个实施例中，一种系统，诸如磁性数据存储系统或存储器件，可包括如上所述的反铁磁性纳米结构和/或原子尺度的结构；以及至少一个用于转换和/或读取每个阵列的磁性状态的设备。
本发明的其他方面和实施例将从以下具体描述变得明显，所述描述结合附图作为示例说明了本发明的原理。
附图说明
图1A-1C是根据一个实施例的反铁磁耦合的磁性原子的阵列的图形描述。
图2是根据一个实施例的8个Fe原子的链的扫描隧道显微镜（STM）形貌图（topographic image）的图形表示。
图3是根据一个实施例通过使用STM的尖端进行磁性纳米结构的读取和写入操作的实现的图形描述。
图4A-4B是根据一个实施例的反铁磁耦合的磁性原子阵列的图形描述。
图5A是根据一个实施例的处于第一状态的反铁磁耦合的磁性原子阵列的图形描述。
图5B是根据一个实施例改变图5A的阵列状态的图形描述。
图5C是根据一个实施例处于第二状态的图5A的阵列的图形描述。
图6是根据一个实施例的共同基板上的反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列的图形描述。
图7是根据一个实施例的共同基板上的反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列的图形描述。
图8是根据一个实施例的共同基板上的反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列的图形描述。
图9A-9B是根据一个实施例的在三个维度延伸的反铁磁耦合的磁性原子的阵列的图形描述。
图10是根据一个实施例通过使用STM的尖端进行磁性纳米结构的读取和写入操作的实现的图形描述。
图11A是根据一个实施例STM尖端放置在反铁磁耦合的原子阵列的末端原子上时作为时间函数的隧道电流的图。
图11B是根据一个实施例STM尖端放置在反铁磁耦合的原子阵列的末端原子上时作为时间函数的隧道电流的图。
图11C是示出根据一个实施例的在各种隧道电流电平上的切换率的图。
图11D是示出根据一个实施例的在各种电压电平上的切换率的图。
图12A是根据一个实施例的Fe原子的(2x6)和(2x4)阵列的图形描述。
图12B是根据一个实施例的(2xn)和(1xn)阵列中的FE和Cu2N基板原子的原子位置的示意图。
图12C是用于图12A的阵列和图10的(1x8)阵列的停留时间（residencetime）的阿仑尼乌斯（Arrhenius）曲线图。
图13A是根据一个实施例的反铁磁耦合原子的8个(2x6)阵列的图。
图13B是根据一个实施例的图13A的比特的部分图形表示。
图13C是根据一个实施例的图13A的比特的部分图形表示。
具体实施方式
以下描述是为了示出本发明的通用原理，且不旨在限制在此要求保护的发明概念。而且，在此描述的特定特征可结合各种可能的组合和排列中描述的其他特征使用。
除非在此清楚地说明，所有术语都应被理解为具有最宽的可能解释，包括说明书中暗示的意思以及本领域技术人员所理解的意思，且/或在诸如词典、条约等参考书中限定的意思。
也应当注意，如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也包括复数形式，除非另有说明。
以下描述公开了能存储信息的反铁磁纳米结构的若干实施例。公开的还有用于读取和写入信息的隧道磁阻器件。
在一个一般实施例中，反铁磁纳米结构包括至少两个反铁磁耦合的磁性原子的阵列，其具有至少两种磁性状态，所述磁性状态可稳定有用的时间段，诸如至少一皮秒，即使在没有与诸如阵列外的反铁磁结构的外部结构的交互以将阵列稳定在至少一种磁性状态下时。因此，在优选实施例中不存在也不需要外部稳定结构。阵列具有为零或大约为零的净磁矩。阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子，即，沿着任意维度中的线的原子的最大数量是100个原子。于是，阵列中的总原子数对于单线阵列可以是100，或对于在第二维和/或第三维中具有多于一个原子的2D和3D阵列来说更多。
说到净磁矩“大约为零“，其是指当前阵列的每个磁性原子的净磁矩比阵列中的磁性原子的平均磁矩小大约20%。在优选实施例中，阵列中的每个磁性原子的净磁矩比磁性原子的平均磁矩小大约10%，且理想地是小大约5%。
在另一个一般实施例中，原子级结构具有为零或大约为零的净磁矩；两个或更多个稳定磁性状态；并包括具有沿着一个或多个方向在相邻的磁原子之间交替的磁矩的原子阵列。“原子级结构”可被限定为具有至少两个原子的结构，并具有沿着其最长维度的100个或更少的原子，即，沿着任何方向的线的原子的最大数量是100个原子。
在另一个一般实施例中，反铁磁纳米结构包括多个阵列，每个阵列对应于一数据比特（在此也被称为磁比特），每个阵列具有至少8个反铁磁耦合的磁性原子，每个阵列具有至少两种可读磁性状态，其稳定至少一皮秒（或其他有用的时间段），每个阵列具有为零或大约为零的净磁矩，其中不需要外部稳定结构对阵列施加影响以稳定阵列，且其中每个阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子。
在又一个一般实施例中，系统，诸如磁性数据存储系统或存储设备，可包括上述反铁磁纳米结构和/或原子级结构；以及至少一个用于改变和/或读取每个阵列的磁性状态的设备。
一种用于读取和/或写入数据到原子级反铁磁体或反铁磁纳米结构的方法，诸如上述方法中的一种，包括检测反铁磁纳米结构或原子级反铁磁体的一个或多个选定阵列的一个原子的磁性状态。在写操作期间，原子级反铁磁体的原子的磁矩的方向可被反转以改变原子级反铁磁体的磁性状态。可使用隧道磁阻器件来检测原子级反铁磁体的一个原子的磁性状态和/或改变磁性状态。
本发明的优选实施例包括磁性纳米结构，具有少量的反铁磁耦合的磁性原子，所述磁性原子以这样的方式被布置在表面上，使得磁性信息的稳定状态是可能的。磁性原子被反铁磁地耦合，这意味着相邻磁性原子的磁矩指向相反方向。说到“稳定”、“稳定存储”和“有用的时间段”，这意味着磁性原子阵列的状态（状态可对应于磁性信息）被存储足够长从而可用于任何类型的处理，诸如数据存储或数据处理。例如，存储可仅是皮秒（ps）、纳秒（ns）或毫秒（ms），诸如至少1ps、至少1ns、至少1微秒、至少1ms、5ps和1000ms之间、大于100ms、至少一秒、至少一分钟、至少一小时、至少一天、1ps和1小时之间，或这些范围内的任何合理值。而且，稳定存储的周期可用与存储在本发明结构中的数据交互的处理器的时钟周期的数量表示，诸如1个时钟周期或更多。
相对于更传统的铁磁图案（pattern），磁性原子的反铁磁阵列具有优势，因为反铁磁阵列不具有与其相关的远距离磁场。特别地，具有反铁磁耦合的磁性原子的磁性纳米结构不具有远距离的（阵列）外部磁场，因为（成员磁性原子）的磁场完全或大部分彼此抵消。例如，对应于数据比特的反铁磁阵列可比铁磁比特彼此放置得更近，而不互相打扰。这种现象允许这些磁性纳米结构非常密集地填充（packing），导致增加存储密度的优势。当这些磁性纳米结构与诸如原子级隧道磁阻器件结合使用时，可用传统的电子电路写入和读回磁性信息。
一个优选的实施例包括基板上的磁性原子阵列。磁性原子以这样的方式被存储，其与最近的邻居的主要交互是反铁磁的，即，相邻原子的磁矩指向相反的方向。磁性纳米结构可以是链或二维结构，或者通过在初始的二维层顶部添加磁性层并同时保持反铁磁顺序，其可延伸到第三维。
磁性原子可以是任意磁性材料。示例性磁性材料包括铁、锰和钴。
基板可以是本领域已知的任何合适的材料，其不破坏反铁磁阵列的反铁磁性质。优选地，基板是非磁性的。用于基板的示意性材料包括Cu2N和CuO。当选择基板材料时需要考虑的因素可包括基板如何影响磁性原子的间距，以及基板材料如何影响原子的亲和性以变得反铁磁耦合。
图1A-1C示出了结晶基板上的磁性原子阵列。参考图1A，磁性原子102的阵列100被布置为线性链。特别地，通过使用已有的基板上的原子操纵技术，若干Fe原子的链被布置在结晶基板上。示例性形成技术在以下被展示。该例子中使用的基板是在Cu（001）表面上生长的单层Cu2N。该基板被使用在该例子中，因为其给予了Fe原子的易轴磁各向异性（easy-axis magnetic anisotropy），这是用于实现稳定的磁比特的有用特性，因为其引导自旋的指向沿着轴。Fe原子被反铁磁耦合。诸如图1A所示的原子的线性链是一种类型的磁比特的简单例子。如图所示，阵列中的磁性原子的磁矩方向在相邻的磁性原子之间交替。注意尽管该例子具有6个磁性原子，各种实施例可具有少至2个多至几十个或几百个原子。
在该表面上排列的、具有图1A-1C示出的间距的8个Fe原子102的链在足够低的温度下具有两种稳定的磁性状态，即所谓的奈尔（Néel）状态。用于这些演示的温度是1开氏温度。在奈尔状态，相邻的磁性原子被磁化在相反方向。这在图1B和1C中示出。在图1B中，链中的Fe原子102之间的反铁磁耦合产生一种逻辑状态，对应于第一奈尔状态，其中链中最顶上的Fe原子102具有向“下”的磁矩。
图1C示出了比特的第二逻辑状态，对应于第二奈尔状态，其中链中的相同Fe原子102的磁矩是“向上的”。链可以是任何长度，且更长的链倾向于产生更稳定的磁性状态。也注意到没有任何外部稳定结构，诸如铁磁体。
原子的磁矩通常部分是由于原子的电子自旋的磁矩，且部分是由于原子电子的轨道角动量产生的磁矩。原子之间的磁性交互的能量可以是由于直接交换交互、间接交换交互，和/或磁偶极交互。这些交互的细节对本领域技术人员来说是已知的，且为了清楚起见省略对其的讨论。
一个核心发现是即使这些磁性纳米结构是原子级尺寸，其在足够低的温度具有两种稳定的磁性状态。而且，反铁磁阵列可随意在这两种状态间切换。这种磁性稳定性和在磁性状态之间切换的能力构成了磁性数据存储的两个最重要的元素，并在此在原子级被演示。
图2是8个Fe原子202的链200的扫描隧道显微镜（STM）形貌图的表示。如图1所示，原子202被布置在CU2N的表面上。在该实施例中，假设链的长度是约6nm，两个相邻Fe原子间的空间是0.72nm。链周围的其他突出203也是不同空间安排中的Fe原子。链200的原子看起来是一样的，因为STM尖端不是自旋极化的。但是，一旦自旋极化尖端，一个或多个原子的磁性状态是可辨别的。
读取和写入这样的磁比特的一种方法是将比特与磁隧道结耦合。为了在一种方法中形成这样的结，控制电极被放置为靠近反铁磁纳米结构，这样通过量子力学隧道效应，电子可在控制电极和纳米结构之间流动。纳米结构和控制电极可被绝缘层或真空间隙分隔。控制电极被自旋极化，这意味着其优选地在一个方向而不是另一个方向传导电子。于是产生的隧道结是磁阻的，即，隧穿（tunneling）电流取决于控制电极和最近的磁性原子的自旋极化方向的相对对齐。这允许通过测量流过隧道结的电流量而感测到阵列状态。
在一种方法中，磁性隧道结与阵列中的选定原子或原子组对齐。读取阵列状态是通过测量隧道结的导电性而执行的。写入可通过施加合适的电压或电流到隧道结而被执行，这反转了阵列的磁性状态。
在示意性方法中，STM的尖端被用作控制电极以执行磁比特的读取和/或写入。可通过若干种技术使得STM的尖端被自旋极化，诸如用铁磁性或反铁磁性材料涂覆尖端或放置磁性粒子在尖端的顶点上。对于当前的例子，假设通过放置磁性原子在其顶点上并施加外部磁场以极化该电子，将STM尖端变得自旋极化。
由于STM非常高的空间分辨率，这样的反铁磁阵列的磁性状态可被写入和读取，由此以非常高的存储密度被用于数据存储，当前被估计是以每平方英寸100兆兆位的量级，或大约是当前商用硬盘驱动器存储设备的100倍密度。
图3示出了具有自旋极化STM尖端304的AFM磁比特302的读取操作的实现。当STM尖端被放置在磁原子上，且其磁矩与尖端的自旋极化相反，产生的电流较低（即，设备处于低电流隧道磁阻（TMR）状态）。另一方面，当尖端被放置在磁原子上，且其磁矩与尖端对齐，产生的电流较高。因此，当尖端304被放置在磁链中的最左边原子306上（如图所示）时，隧道电流较小，因为尖端的旋转（上箭头）指向与其下的原子的磁矩的旋转相反的方向（下箭头）。
因此，通过测量隧道电流执行读取操作。将尖端放置在右边下一个磁原子上也会读取纳米结构的状态，但电流幅度被反转。通过选择隧道电压和电流的恰当幅度，相同的尖端可被用来将磁性纳米结构写入到两种稳定的磁性状态中的任何一个，所述磁性状态用作二进制存储器器件的两种逻辑状态。
这种对比机制可容易地识别比特的两个不同奈尔状态。通过使得尖端静止地位于仅一个原子上并测量结的导电性，结构的磁性状态可被确定。例如，小电压可被施加在尖端和基板之间，且测量的隧道电流指示比特状态。
用于读取和/或写入的其他技术和设备可被使用。一个例子是包括每个阵列的终端原子附近的磁性隧道结。
图4A和4B示出了本发明实施例的另一种实现。特别地，图4A和4B分别示出了阵列的两种稳定状态（奈尔状态）的表示。在该种类型的反铁磁比特中，两行磁性原子402被耦合为一个2x6的原子阵列以形成单个比特。每列6个反铁磁耦合的Fe原子随后被反铁磁耦合到第二列Fe原子以形成比特。这种类型的阵列也示出了具有两种稳定状态的基本属性，这样该阵列结构的磁性状态可被用于数据存储。
与图1讨论的Fe原子的线性链类似，由于成分Fe原子的磁矩，2x6阵列中的规则AFM图案导致了偶极子磁场的消除，且因此2x6磁比特在阵列外没有或即基本上没有磁场。而且，这种磁矩的消除导致磁比特的状态对于施加的磁场非常不敏感。已进行了模仿这种布置的实验，且观察到在3特斯拉的磁场中是稳定的。
图4A和4B示出的结构可被用在比图1示出的六原子结构更高的温度中，因为两列反铁磁地彼此耦合，这稳定了磁性状态。
图5中描述了磁比特的切换操作。左边的板是比特的初始状态，被标记为逻辑1。在给磁性状态成像后，STM尖端被放置为靠近磁比特的一个原子。小于1V的短脉冲和几个纳秒的持续时间足以切换所有磁比特的所有原子的磁矩方向，由此将比特从初始磁性状态切换到最终磁性状态。最终磁性状态随后用相同的磁尖端被再次成像，且被标记为逻辑0。这种切换可被重复许多次，而不打乱磁比特的物理结构。
图5A、5B和5C示出了读取和切换反铁磁磁比特500的状态。通过使用STM502的尖端来放置原子，从12个Fe原子组装比特。原子在形貌图中显得交替地较高和较低（图5B），因为STM尖端的自旋与纳米结构中的每个原子的磁矩的方向相同或相反。图5A示出了测量用于被标记为逻辑1的初始磁性状态的每个原子的磁矩方向。磁矩向上原子显得更深，而磁矩向下原子显得更浅。随后将STM尖端与比特的一个原子交互（图5B）。在施加短电压脉冲后，磁性状态切换到被标记为0的第二稳定状态，如图5C所示。
相比于更常见的铁磁磁比特，反铁磁磁比特具有若干显著优势。图6示出了密集填充，其由于磁比特的反铁磁特性而成为可能的。因此，一些实施例可包括在共同基板上出现的至少两个反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列，每个阵列具有至少两种磁性状态，其中每个阵列具有大约为零的净磁矩（或净“自旋”）。而且，在特别优选的实施例中，阵列被相对彼此放置，使得阵列间的磁性交互能量至少被部分消除。“部分消除”可按照消除阵列与其最近的相邻阵列的磁性交互能量来定义，其中部分消除是50%或更多，优选地是75%或更多，更优选地是90%或更多。在一些示出性方法中，消除是50-90%、60-80%和75-100%。在理想的情况中，磁性交互能量是100%或大约100%被消除。
再次参考图6，具有12个Fe原子的三个磁比特602、604和606每个被排列在Cu2N基板上，且被较短距离（例如0.5-5nm）分隔。在示出的方法中，分隔距离是1nm，其仅比磁比特内的Fe原子多了一个原子格的距离。如上所讨论的，反铁磁磁比特没有长距磁场，且这样长距交互可被预期是可以忽略的。但是，在相邻比特的最近原子之间的短距离上，必须考虑超交换交互（superexchange interaction）。关键的观察是一个原子与其相邻磁比特中的临近原子的净耦合是零，因为该原子与相邻比特的磁矩向上原子和磁矩向下原子相等地交互，而与相邻比特的磁性状态无关。这种对称性有效地消除了短长度上的交互，使得相邻比特之间基本上没有净交互，由此允许高填充密度，同时使得比特对于施加的磁场不敏感。
.图7示出了Cu2N共同基板上的两个磁比特702、704的实施例。特别地，示出了两个磁比特，每个由Cu2N基板上的12个Fe原子形成。基板被描述为与图6的基板的方向相比，旋转45度。但是，连续的比特被放置为与比特内的反铁磁链成45度角。磁比特702、704的密实填充再次是可能的，因为每个比特内的Fe原子几乎与相邻比特中的相反磁矩方向的Fe原子几乎是相等地耦合的。该实施例展示了原子的精确安排不是关键的，只要短长度范围磁性交互能量的正确平衡被满足。
图8示出了AFM磁比特的更大组装800。该描述示出了在如图7所示的填充排列中布置的8个磁比特。每个单独的比特由2x6的Fe原子的规则阵列构成。字节总共包含96个精确定位的Fe原子。该磁性字节展示了每平方英寸大约100兆兆比特的存储密度的原子级别的数据存储。
在某些情形下，例如在控制电极是具有与比特类似的晶格尺寸的反铁磁体的时候，或者在具有相同磁矩对齐的反铁磁比特的几个原子被用于形成隧道结的时候，在将控制电极与磁比特对齐时原子级精确性的要求可放松。例如，图7中的每个比特中的最顶部的两个原子具有相同的磁矩对齐，和图9B中的原子的顶部平面一样。
先前的描述主要针对磁性原子的1和2维阵列。在某些实施例中，还可以使用3维结构在AFM结构中存储磁信息。图9A和9B中分别示意性地示出了示例性3维配置900、950。
在一个实施例中，反铁磁性纳米结构包括一个或多个阵列，其中每个阵列包括堆叠配置的至少两层磁性原子，每层中的原子反铁磁性地耦合到同一层中的其他原子，其中每层的净磁矩大约为零。在图9A所示的示例性实施例中，AFM层位于另一AFM层的顶部，并且AFM顺序由此继续到第三维。水平层中的原子之间的耦合是反铁磁性的，如示出磁矩方向的箭头所示，所以整个结构的净磁矩大约为零。相继的层之间以及内部的耦合可以是反铁磁性的、铁磁性的或两者，这取决于晶体结构的细节，只要它沿着某个维度保持磁矩的交替。
在一个实施例中，反铁磁性纳米结构包括一个或多个阵列，其中每个阵列包括堆叠配置的至少两层磁性原子，每层中的原子铁磁性地耦合到同一层中的其他原子（即与同一层中的其他原子具有相同的磁矩方向），其中相邻层的净磁矩大约为零。在图9B的结构中，例如，铁磁性层被放在另一铁磁性层的顶部，并且相继的层具有相反的磁矩方向。在右边，任何水平层中的磁矩被对齐（铁磁性排序），但层之间的耦合是反铁磁性的，因此净磁矩再次基本上为零。
由此在第三维中实现反铁磁性顺序。三维的实施例具有对于在磁比特中的相同数量的磁性原子的更高的填充密度。由于期望热稳定性随着比特中的磁性原子的数量而增加，扩展到第三空间维度因此能够实现极度的面积数据密度，且具有良好的性能。
用于制造反铁磁性阵列的很多技术都是可能的。在一种方法中，可以使用在表面上自组装磁性原子图案的技术。另一方法使用包含磁性原子的反铁磁性分子的合成，然后将它们耦合在反铁磁性排列中。
在又一方法中，STM的尖端被用于在基板上布置原子，以构造磁性纳米结构。同一或另一STM可被用于执行磁比特的读写。STM内在地具有原子级的空间解析度且由此允许各个实施例的直接展示。
在一个说明性实施例中，如图10所示，STM1000被用于将Fe原子1002以规则图案置于例如Cu2N的基板上。Fe原子每个可被置于基板上的结合部位（binding site），在此它们具有很大的磁各向异性，从而使得Fe原子的磁矩与产生的易轴D平行对齐。该各向异性阻碍磁矩在两个可能的方向之间切换。相邻的Fe原子以交换耦合能量J反铁磁性地交互。该各向异性和交换耦合可允许使用伊辛模型来描述磁矩，其中，磁矩指向总是沿着一个轴，并且不需要考虑量子叠加态。
继续参考图10，可以通过隧穿来自STM尖端1000的电子在两个奈尔状态之间切换AFM阵列。为了切换磁性状态，使STM尖端保持静止在结构的任意Fe原子以及经过它的隧道电流上，直到在电流中观察到阶跃。例如见图11A。
实验
本节讨论实验结果。下列描述不是要以任何方式来限制本发明。相反，仅通过示例的方式来提供下列描述。
采样准备
所有实验在配备可变磁场的低温STM中进行。通过重复的溅射退火周期来清洗Cu(100)单晶体。通过接近室温的干净铜(100)的氮离子轰击以及随后退火至大约300℃来形成Cu2N的一个单层。以单层的～1%密度在4.2K将Fe（和Mn）原子沉积到冷采样表面上。
使用垂直原子操纵将Fe原子分开0.72nm置于Cu2N重迭层的双重对称Cu结合部位。选择表面和间隔，以给出适合于展示反铁磁性的磁性耦合，而使原子保持足够分离，以清楚地解析每个原子的位置和磁矩。为了原子挑选，探针尖端被放低接近点接触（～100kOhm结电阻）并且在撤回尖端时施加+1.7V的采样电压。放下（drop-off）采用两步骤的过程，其中，首先通过将装载的尖端放低到点接触并且在零电压下撤回来将该原子放在氮表面原子（N-结合部位）上，随后随着尖端被侧向放置以将原子引导至想要的结合部位，以+0.75V电压脉冲使被放下的原子侧向跳至Cu结合部位。
自旋偏振尖端
通过将一个或多个磁性原子（Fe或Mn）从表面转移至尖端的顶点来创建自旋偏振尖端。这种尖端表现类似于顺磁体，并且在施加>0.5T的外部磁场时给出<10K的自旋偏振隧道电流。通过测量隔离的Fe和Mn原子来确定尖端的自旋偏振程度。使用自旋偏振的通常定义η，确定η=0.6用于图10使用的尖端以及η=0.3用于图13中的尖端。通过将多于一个磁性原子置于顶点来生成具有逆自旋偏振（与磁场反对齐）的尖端，所述原子被认为反铁磁性地互相耦合。磁性对比不会明显依赖于所施加的电压的大小或符号，只要结电压足够小（<～5mV），以避免破坏AFM结构的磁矩的方向。
阵列磁状态切换
在磁状态被切换的实验中，在尖端被置于阵列末端的原子上时，观察到状态最容易切换。对于施加的任何电压和电流，发现磁性状态之间的切换以每单位时间的均匀概率出现，这可以通过切换率来表征。在通过将尖端移近表面来增加隧道电流时，该切换率快速增加，如下参考图11C所讨论的。
在一个实验中，通过隧穿电子来诱发奈尔状态之间的切换。图11A是示出在7mV下将STM尖端置于Fe原子的1x8阵列的末端原子时作为时间的函数的隧道电流的图。链大约每秒钟两次切换其磁性状态。参考图11B，应用相同的技术，除了施加更短的电压脉冲以展示快速的切换。特别地，每10ms施加500mV以及10ns持续时间的脉冲。在脉冲之间仅施加低于切换阈值的2mV来感测磁性状态。参考图11C，通过改变尖端采样距离来获取7MV以及不同隧道电流下从磁性状态‘0’切换为‘1’（点1110）以及从‘1’切换为‘0’（点1112）的切换率。切换率根据指数为k=1.1（‘0’到‘1’）和1.9（‘1’到‘0’）的幂律依赖（power law dependence）来增加。图11D是图示针对同一阵列在不同电压下的切换率的图，从该阵列获取用于图11C的数据。如图所示，在更高的电压下获取更快的切换。连续施加电压（对于V<10mV），以及作为5-1000ns的脉冲（对于V>10mV）。针对所有面板（图11A-11D），施加的磁场为1T，尖端采样距离被设置在20pA，并且针对（图11A-11C）电压是2mV。
当尖端位于固定的高度，切换率在阈值电压附近突然增加并且快速超过STM的电流放大器的带宽（图11B）。脉冲激励方案被用于获取该状况（regime）下的切换率的量化测量。施加亚微秒脉冲，并且每个脉冲之后是100ms的低压窗口，在其中监视产生的状态。
从所测量的每个脉冲处的切换的概率中提取切换率。切换率比与电压上升到所测试的最高电压成比例更快地增加，在0.5V和～5nA下切换时间为～20ns（图11D）。这展示了在高速和千万亿分之一焦耳能量下的AFM纳米结构的电切换。
可以在二维中扩展AFM排序以形成阵列。图12A示出了Fe原子的（2x6）和(2x4)阵列。这些阵列每个具有图10所示的类型的两个链，该两个链以每对原子之间的耦合J'=0.035meV来互相反铁磁耦合，如图12B所示，该图是（2xn）和（1xn）阵列中的Fe和Cu2N基板原子的原子位置的示意图。该链间耦合比每个链内部的耦合要弱得多，即使原子之间的间隔是相同的。该差异被认为是由Fe原子的结合部位的结构引起的。不管链之间的弱耦合，该阵列显示了具有比任一链单独更大得多的稳定性的稳定反铁磁性顺序。
为了调查奈尔状态的磁稳定性，检验阵列的热切换率。在1.2K下，（2x6）和（2x4）两个阵列在任一奈尔状态下都是稳定的。相反，在5.0K下，两个纳米结构在其两个奈尔状态之间自发切换。在3.0K的中间温度下，仅（2x6）阵列是稳定的，表明阻挡温度（在该温度下，磁性结构失去其永久自旋态）随着阵列中的原子数量而增加。
对奈尔状态的热稳定性的定量研究（图12C）表明每个结构遵循在观察到的切换率范围下的阿仑尼乌斯定律。由此可以针对每个结构来推导有效能量势垒和指数前因子，如表1所示，其中列出了针对图12C中的热切换率的阿仑尼乌斯参数。阿仑尼乌斯函数τ=τo exp(EB/kBT)适合每个结构的依赖于温度的停留时间。
表1
阵列大小 磁场 前因子τo（s） 能量势垒EB（meV）
（2×6） 1T,3T 3×10-9 8.2±0.2
（1×8） 1T 5×10-9 6.9±0.1
（1×8） 3T 5×10-8 5.6±0.3
（2×4） 1T,3T 2×10-4 1.49±0.03
两个奈尔状态以相等的频率出现，如对退化状态所期望的，并且切换事件以每单位时间的固定概率出现。这与其中奈尔状态之间的转换需要超过自旋反转势垒（spin reversal barrier）的刺激的模型是一致的。能量势垒和前因子仅对磁场微弱敏感，这表明该结构的状态在所应用的磁场的较宽范围内基本不变。
针对（2x6）和（1x8）结构，从阿仑尼乌斯拟合获取的切换势垒为～6-8meV（表1），这与通过翻转链末端的一个或多个连续原子的磁矩方向在一个链中创建单个伊辛畴壁（Ising domain wall）所需的能量2S2J=9.6meV具有可比性。这里，S=2是Fe原子的自旋的量级。该能量势垒还与用于电流感应切换（图2）的阈值电压具有比较性。这暗示了一种切换过程，其通过沿着每个链传播畴壁来一次翻转一个链。（2x6）阵列在低温下高度稳定；实验确定了稳定性的较低限度是在0.5K下每17个小时小于一次切换事件。
相反，（2x4）结构具有小得多的势垒，仅1.4meV，这与破坏两个链之间的弱耦合所需的能量4x2S2J'=1.1meV具有可比性，但不足以在链内创建畴壁。与减小很多的前因子一起，该低势垒指向一个逆过程，其中，整个链在热助磁性隧穿（thermally-assisted magnetic tunneling）过程中切换。该磁性的隧穿经常在分子磁体中观察到。
为了实现长期的稳定性，需要约50kBT（用于反铁磁体，正如用于铁磁体一样）的切换势垒，其在室温下是1.3eV。
这比当前描述的势垒高大约100倍，该势垒由于易于引入畴壁（这是较小的J的结果）而较小。通过将原子放置地更靠近，可以在表面以及典型的AFM中容易地得到更强得多的耦合。使用该更强的耦合，以及在表面上已经存在的用于Fe的各向异性势垒，可以以～150个原子来实现室温稳定性。
传统的磁性存储介质的主要障碍是相邻比特由于其净磁矩以及产生的偶极磁场而引起的交互。但是，在原子维度下，交换交互仍将引起比特之间不想要的耦合。下列描述说明了每个比特中的反铁磁性顺序如何被用于补偿甚至这些短距离交互。图13A示出了互相分隔0.9nm的8个独立的AFM比特的密集阵列。通过磁性破坏来实现短距离解耦合。将任意给定比特的原子对称地置于相邻比特的原子之间的交错组装产生了比特间耦合的接近完美的消除（图13B）。实质上，给定比特中的原子同等地耦合到相邻比特（图13B中的Jb）中具有相反磁矩方向的两个原子，这有效地消除了这些成对的磁性交互作用能量。
8个AFM比特可以存储一字节的磁性信息，例如，8个12原子阵列中的每个可以互相独立地在其两个奈尔状态之间切换。图13C示出了写入到字节中的测试安排的短序列。特别地，在图13C的上面的图中，所有八比特处于‘1’状态。在中间的图中，示出了‘1’和‘0’的交替图案。在图13C的下面的图中，所有比特都处于‘0’状态。
每个配置在几小时中都是稳定的，并且通过形貌成像来容易地实现读取。每个比特占用仅9nm2的面积，包括间隔区域，从而产生了大约70兆兆比特/平方英寸的净面积数据密度。
形成字节中的每个比特的Fe原子的排列是（2x6）阵列上的变量（比较图12B和图13B），其中，每个比特的末端被倾斜，以给予每个比特最末端的原子相同的磁矩方向，这给出了观察状态时的视觉清晰度，并且说明了原子的精确排列对于稳定性来说不是关键的。
本文说明了可切换纳米级反铁磁体是存储器、存储装置和自旋电子（spintronic）应用的候选。通过终止AFM阵列使得一面上所有磁矩都指向相同的方向，可以放松对读或写电极中的原子精确对齐的愿望。
很清楚，上述方法中的各个特征可以以任意方式来组合，以根据上述描述创建多个组合。
尽管上面描述了各个实施例，可以理解，它们仅是通过示例的方式来展示，而不是限制。因此，本发明的实施例的宽度和范围不应受到上述示例性实施例的限制，而只应根据所附权利要求书及其等价物来限定。

Claims (24)

1.一种反铁磁纳米结构，包括：
至少两个反铁磁耦合的磁性原子的阵列，其具有至少两种磁性状态，所述磁性状态即使在没有与外部结构的交互时稳定至少一皮秒，
所述阵列具有为零或大约为零的净磁矩，
其中所述阵列具有沿着其最长维度的100个原子或更少。
2.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中阵列中的磁性原子的磁矩方向在相邻的磁性原子之间交替。
3.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中所述阵列包括堆叠配置中的至少两层磁性原子，每层中的原子与相同层中的其他原子彼此反铁磁耦合，其中每层的净磁矩大约是零。
4.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中所述阵列包括堆叠配置中的至少两层磁性原子，每层中的原子与相同层中其他的原子彼此铁磁耦合，其中相邻层的净磁矩大约是零。
5.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中至少两个反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列出现在相同的基板上，每个阵列具有至少两种磁性状态，其中每个阵列具有大约为零的净磁矩。
6.如权利要求5所述的反铁磁纳米结构，其中所述阵列被相对彼此地放置，使得相邻阵列之间的磁性交互能量至少被部分消除。
7.如权利要求5所述的反铁磁纳米结构，其中所述阵列被相对彼此地放置，使得相邻阵列间的磁性交互能量被消除至少50%。
8.一种系统，包括：
如权利要求5所述的反铁磁纳米结构；以及
至少一个设备，其用于改变和/或读取每个阵列的磁性状态。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述至少一个设备是隧道磁阻器件。
10.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中至少两种磁性状态稳定至少一微秒。
11.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中至少两种磁性状态稳定至少一秒。
12.如权利要求1所述的反铁磁纳米结构，其中至少两种磁性状态稳定至少一小时。
13.一种原子级结构，具有为零或大约为零的净磁矩；两种或更多种稳定的磁性状态；并具有一个原子阵列，其具有沿着一个或多个方向在相邻磁性原子间交替的磁矩。
14.如权利要求13所述的原子级结构，其中所述阵列包括堆叠配置中的至少两层磁性原子，每层中的原子与同一层中的其他原子反铁磁耦合，其中每层的净磁矩大约是零。
15.如权利要求13所述的原子级结构，其中所述阵列包括堆叠配置中至少两层磁性原子，每层中的原子与同一层中的其他原子铁磁耦合，其中相邻层的净磁矩大约是零。
16.如权利要求13所述的原子级结构，其中至少两个反铁磁耦合的磁性原子的多个阵列出现在同一个基板上，每个阵列具有至少两种磁性状态，其中每个阵列具有大约为零的净磁矩。
17.如权利要求其13所述的原子级结构，其中所述阵列被相对彼此放置，使得相邻阵列间的磁性交互能量至少被部分消除。
18.如权利要求13所述的原子级结构，其中两种或更多种磁性状态稳定至少一秒。
19.一种系统，包括：
如权利要求13所述的原子级结构；以及
至少一个设备，其用于改变和/或读取每个阵列的磁性状态。
20.一种反铁磁纳米结构，包括：
每个对应于一个比特的多个阵列，
每个阵列具有至少8个反铁磁耦合的磁性原子，
每个阵列具有稳定至少一皮秒的至少两种可读的磁性状态；
每个阵列具有为零或大约为零的净磁矩，
其中没有外部稳定结构施加作用在阵列上以稳定阵列，
其中每个阵列具有沿着其最长维度的100个或更少的原子。
21.一种系统，包括：
如权利要求20所述的原子级反铁磁体；以及
至少一个设备，其用于转换和/或读取每个阵列的磁性状态。
22.一种读取和/或写入数据到权利要求20所述的反铁磁纳米结构的方法，该方法包括：
检测反铁磁纳米结构的选定一个或多个阵列的一个原子的磁性状态。
23.如权利要求22所述的方法，还包括反转原子级反铁磁体的原子的磁矩方向以改变原子级反铁磁体的磁性状态。
24.如权利要求22所述的方法，还包括使用隧道磁阻器件来检测原子级反铁磁体的一个原子的磁性状态。
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