在當前主流的存儲器技術中，DRAM 雖然速度快，但功耗大、容量低、成本高，且斷電無法保存數據，使用場景受限；NAND Flash 讀寫速度低，存儲密度明顯受限于工藝制程。

為了突破 DRAM、NAND Flash 等傳統存儲器的局限，存儲器技術壁壘不斷被突破，新型存儲技術開始進入大眾視野。

近年來，計算設備已出現多種類型的存儲器，旨在克服傳統隨機存取存儲器 (RAM) 的限制。磁阻 RAM (MRAM) 就是這樣一種存儲器類型，它比傳統 RAM 具有多種優勢，包括非揮發性、高速、存儲容量增加和耐用性增強。盡管 MRAM 設備已經取得了顯著的改進，但降低數據寫入過程中的能耗仍然是一項關鍵挑戰。

大阪大學研究人員最近在《先進科學》雜志上發表的一項研究 提出了一種用于 MRAM 設備、具有低能耗數據寫入的新技術。與目前基于電流的方法相比，該技術可以實現基于電場的寫入方案，能耗更低，有可能為傳統 RAM 提供替代方案。

傳統動態 RAM (DRAM) 設備具有由晶體管和電容器組成的基本存儲單元。但是，存儲的數據是易失性的，這意味著需要輸入能量才能保留數據。相比之下，MRAM 使用磁狀態（例如磁化方向）來寫入和存儲數據，從而實現非易失性數據存儲。

「由于 MRAM 設備依賴于電容器中的非易失性磁化狀態而不是易失性電荷狀態，因此在待機狀態下功耗較低，是 DRAM 的有前途的替代品，」該研究的主要作者 Takamasa Usami 解釋道。

目前的 MRAM 器件一般需要電流來切換磁隧道結的磁化矢量，類似于 DRAM 器件中切換電容器的電荷狀態。然而，在寫入過程中需要很大的電流來切換磁化矢量。這不可避免地會產生焦耳熱，從而導致能耗。

為了解決這個問題，研究人員開發了一種用于控制 MRAM 器件電場的新元件。其關鍵技術是一種多鐵異質結構，其磁化矢量可以通過電場切換（圖 1）。異質結構對電場的響應基本上可以用逆磁電 (CME) 耦合系數來表征；數值越大表示磁化響應越強。

圖 1. 界面多鐵性結構示意圖

研究人員此前曾報道過一種多鐵異質結構，其 CME 耦合系數超過 10-5 s/m。然而，鐵磁層 (Co2FeSi) 部分的結構波動使得實現所需的磁各向異性變得困難，從而阻礙了可靠的電場操作。為了提高這種結構的穩定性，研究人員開發了一種新技術，在鐵磁層和壓電層之間插入一層超薄的釩層。如圖 2 所示，通過插入釩層實現了清晰的界面，從而可以可靠地控制 Co2FeSi 層中的磁各向異性。此外，CME 效應達到的值大于不包含釩層的類似設備所達到的值。

圖 2 . 鐵磁 Co2FeSi 層/原子層/壓電層界面的原子圖像。左側的結構使用 Fe 原子層，而右側顯示的 V 層清晰可見，促進了上方鐵磁 Co2FeSi 層的晶體取向。

研究人員還證明，通過改變電場的掃描操作，可以在零電場下可靠地實現兩種不同的磁狀態。這意味著可以在零電場下有意實現非易失性二元狀態。

「通過精確控制多鐵異質結構，可以滿足實現實用磁電 (ME)-MRAM 設備的兩個關鍵要求，即具有零電場的非易失性二元狀態和巨大的 CME 效應，」資深作者 Kohei Hamaya 說道。

這項自旋電子器件研究最終可在實用的 MRAM 器件上實現，使制造商能夠開發 ME-MRAM，這是一種低功耗寫入技術，適用于需要持久和安全內存的廣泛應用。

值得注意的是，當前的新型存儲市場主要集中于低延遲存儲與持久內存，還不具備替代 DRAM/NAND 閃存的能力，但在數據爆發式增長的時代下，新型存儲憑借所具備的超強性能、超長壽命、可靠性及耐高溫等優秀的特性，將有望成為存儲器領域的新選擇。

目前，從市場份額上看，傳統存儲器仍占據著絕大部分市場，但隨著 5G 時代到來，帶動物聯網、人工智能、智慧城市等應用市場發展并向存儲器提出多樣化需求，加上傳統存儲器市場價格變化等因素，新型存儲器將在市場發揮越來越重要的作用。