支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
什么将取代今天的硬盘驱动器和闪存设备？前者往往速度较慢，后者不适合长期使用。还有 RAM，其许多形式都是易失性的——关闭电源，数据就会丢失。这些缺点，以及驱动大多数技术创新的相同需求——使其更小、更快、更便宜、更不易发生故障——近年来产生了一些候选数据存储技术，所有这些技术都提供了一些优于当今广泛使用的设备的优势。
但这些优势是有代价的：新技术通常涉及增加的复杂性，或者至少是未充分探索的物理学。后一种描述当然适用于跑道存储器，这是一种拟议的方案，其中数据位被编码为纳米线上的磁化区域，沿着纳米线“跑道”来回移动，并经过读/写头。在标准硬盘驱动器中，磁头在数据上移动，就像唱机上的唱针在唱片上移动一样，选择它需要访问的磁盘部分。在跑道存储器中，磁头保持不动，数据会移动到磁头处。该技术的一个吸引人的特点是跑道可以排列成三维森林，从而实现比当前二维方案中密度大得多的数据存储密度。但是在跑道存储器能够挤入使用之前，必须清除几个障碍，其中最重要的是要了解这种系统如何在基本的物理层面上工作。
现在，一个领先的跑道存储器小组在12月24日出版的《科学》杂志上报告了一项发现，该发现增进了这种理解，并使跑道存储器看起来更可行。物理学家斯图尔特·帕金和他在加利福尼亚州圣何塞市 IBM 阿尔马登研究中心的同事们着手确定磁化区域在电流驱动下如何在纳米线中移动。他们发现磁化位表现出惯性——也就是说，它们不会瞬间达到速度，也不会在电流移除的瞬间停止。但是，非常方便的是，位的运动的加速和减速阶段以可预测、可控制的方式协同工作。
在纳米线跑道中，移动的不是导线本身，而是导线内离散的磁化包。每个磁化包构成一个位，因此沿途移动位实际上构成了移动畴壁的边界，畴壁是分隔相反磁化区域的边界——本质上，是分隔 0 和 1 的墙壁。电流可以做到这一点；当电子穿过畴壁并感觉到其自身的磁指向或自旋从一个方向翻转到另一个方向时，它会迫使纳米线内的原子也翻转磁方向以进行补偿。大量金属纳米线原子的集体翻转，由电流中大量电子强迫，移动了畴壁——以及它分隔的数据位——沿途移动。
帕金说：“梯子上的新横档是我们做了一些实验来揭示当您尝试使用自旋极化电流操纵畴壁时，畴壁的确切响应方式。”研究人员追踪了厚度为 20 纳米、宽度为 200 纳米的铁镍纳米线中畴壁的运动，发现将畴壁加速到其 138 米/秒（约 500 公里/小时）的终端速度大约需要 10 纳秒。减速或滑行停止大约需要相同的时间。
之前的一些研究发现，畴壁覆盖的距离与用于驱动它的电脉冲的长度成正比，这暗示畴壁的移动可能没有惯性——也就是说，它们要么以最高速度移动，要么根本不移动。帕金的研究小组发现，脉冲长度和行进距离之间存在整齐关系的原因不是畴壁没有惯性，而仅仅是它们运动的加速和滑行阶段相互平衡。“我们发现的，以及让我们惊讶的是，它滞后的距离正好被它在自身惯性下移动的距离所弥补，”帕金说。“由于这两种竞争效应，看起来畴壁没有惯性——或者如果您愿意，没有质量。”
该发现的意义在于，跑道存储器设备可以通过简单地改变用于推动位沿途移动的电脉冲的长度来控制其位的流动。这当然很方便，但更重要的是，这项研究有助于巩固研究人员对该技术关键物理方面的理解，使其实现更接近现实。
帕金说，这项新研究，以及过去几年中的其他基本步骤，使跑道存储器前景光明。“我们相信我们现在非常了解电流如何移动畴壁，并且跑道的基本底层物理原理是有效的，”他说。“主要的障碍实际上与集成有关：如何构建大量这些跑道并将它们与读/写设备集成。”
无论跑道存储器是否最终进入手持设备和台式计算机，似乎一些新技术将会出现来取代现在使用的存储设备。“最终，而且可能很快就会发生，”帕金说，“这些现有技术将达到它们的基本障碍，这些障碍将非常难以克服。”