在目前主流的記憶體技術中，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，儲存密度明顯受限於工藝製程。為了突破DRAM、NAND Flash等傳統記憶體的限制，記憶體技術壁壘不斷被突破，新型儲存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記憶體，旨在克服傳統隨機存取記憶體(RAM) 的限制。磁阻RAM (MRAM) 就是這樣一種記憶體類型，它比傳統RAM 具有多種優勢，包括非揮發性、高速、儲存容量增加和耐用性增強。儘管MRAM 設備已經取得了顯著的改進，但降低資料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》雜誌上發表的一項研究提出了一種用於MRAM 設備、具有低能耗數據寫入的新技術。與目前基於電流的方法相比，該技術可以實現基於電場的寫入方案，能耗更低，有可能為傳統RAM 提供替代方案。

傳統動態RAM (DRAM) 設備具有由電晶體和電容器組成的基本儲存單元。但是，儲存的資料是易失性的，這意味著需要輸入能量才能保留資料。相較之下，MRAM 使用磁狀態（例如磁化方向）來寫入和儲存數據，從而實現非揮發性數據儲存。

「由於MRAM 設備依賴電容器中的非揮發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元件一般需要電流來切換磁隧道接面的磁化向量，類似DRAM元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向量。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於控制MRAM 裝置電場的新元件。其關鍵技術是一種多鐵異質結構，其磁化向量可以透過電場切換（圖1）。異質結構對電場的反應基本上可以用逆磁電(CME) 耦合係數來表徵；數值越大表示磁化響應越強。

圖1.界面多鐵性結構示意圖

研究人員先前曾通報過一種多鐵異質結構，其CME 耦合係數超過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，透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 效應達到的值大於不包含釩層的類似設備所達到的值。

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

研究人員還證明，透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揮發性二元狀態。

「透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，即具有零電場的非揮發性二元狀態和巨大的CME 效應，」資深作者Kohei Hamaya 說。

這項自旋電子裝置研究最終可在實用的MRAM 裝置上實現，使製造商能夠開發ME-MRAM，這是一種低功耗寫入技術，適用於需要持久和安全記憶體的廣泛應用。

值得注意的是，目前的新型儲存市場主要集中於低延遲儲存與持久內存，還不具備替代DRAM/NAND快閃記憶體的能力，但在資料爆發式成長的時代下，新型儲存憑藉所具備的超強效能、超長壽命、可靠性及耐高溫等優秀的特性，將可望成為記憶體領域的新選擇。

目前，從市場份額來看，傳統記憶體仍佔據著絕大部分市場，但隨著5G時代到來，帶動物聯網、人工智慧、智慧城市等應用市場發展並向記憶體提出多樣化需求，加上傳統記憶體市場價格變化等因素，新型記憶體將在市場發揮越來越重要的作用。