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对于许多现代技术应用，如用于磁共振成像的超导导线，工程师们希望尽可能地消除电阻及其产生的热量。然而事实证明，在固态计算机内存等自旋电子应用中，电阻产生的少量热量是金属薄膜的理想特性。同样地，虽然缺陷在材料科学中通常也是不受欢迎，但它们可以用来控制被称为斯凯密子的磁性准粒子产生。麻省理工学院杰弗里·s·d·比奇教授和他在加利福尼亚、德国、瑞士和韩国的同事在本月发表在《自然纳米技术与高级材料》上的另一篇论文中指出：

博科园-科学科普：在室温下可以在特制的层状材料中产生稳定而快速移动的拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态，创造了尺寸和速度的世界纪录，而且每篇论文都登上了各自期刊的封面！为了发表在《高级材料》(Advanced Materials)上的这项研究，研究人员制作了一种金属合金线，这种金属合金由一种重金属铂、一种磁性材料钴铁硼和镁氧组成，共15层。在这些层状材料中，铂金属层和钴铁硼之间的界面创造了一种环境，在这种环境中，通过施加垂直于薄膜的外部磁场和沿导线长度传播的电流脉冲：

麻省理工学院材料科学与工程教授杰弗里·比奇和他在加利福尼亚、德国、瑞士和韩国同事们的研究成果登上了《自然纳米技术与先进材料》封面。图片：Nature, Advanced Materials

可以形成拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态。值得注意的是，在20毫安特斯拉的磁场下(磁场强度的一种测量方法)，导线在室温下会形成天空介子。在349 kelvins(168华氏度)以上的温度下，拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态在没有外部磁场的情况下形成，这是由材料升温引起，即使材料冷却到室温，斯格米子(skyrmion)仍然保持稳定，比奇说：以前只有在低温和强磁场的情况下才能看到这样的结果。

这篇高级材料论文的第一作者，也是麻省理工学院材料科学与工程专业的研究生Ivan Lemesh（合作作者包括资深作家比奇和其他17人）说：在开发了许多理论工具之后，我们现在不仅可以预测内部的斯格米子(skyrmion)态结构和大小，而且我们还可以做一个逆向工程问题，比如想要一个这样大小的斯格米子(skyrmion)态，我们将能够生成多层，或者材料，参数，这将导致该斯格米子(skyrmion)态的大小。电子的一个基本特征是自旋，自旋可以指向上，也可以指向下。

斯格米子(skyrmion)态是一组电子的圆形簇，其自旋方向与周围电子的方向相反，并且skyrmion保持顺时针或逆时针方向。2018年11月30日莱梅什在波士顿的材料研究学会秋季会议上介绍了他的研究并表示：然而，除此之外，我们还发现磁性多层中的斯格米子(skyrmion)态形成了一种复杂、依赖于厚度的扭曲性质，这些发现发表在《物理评论B》上的另一项理论研究中。目前的研究表明，虽然这种扭曲结构对斯格米子(skyrmion)态计算平均尺寸的能力影响较小，但它对其电流诱导行为有显著影响。

在《自然纳米技术》上发表的这篇论文中，研究人员研究了一种不同的磁性材料，将铂与钆钴合金和氧化钽的磁性层叠加在一起。在这种材料中，研究人员展示了他们可以产生10纳米大小的斯格米子(skyrmion)态，并证实他们可以在这种材料中快速移动。第一作者、材料科学与工程专业研究生卢卡斯·卡塔塔(Lucas Caretta)说：我们在这篇论文中发现，铁磁体对于准粒子的大小以及利用电流驱动它们速度有基本极限。在铁磁体中，例如钴铁硼，相邻的自旋平行排列，产生很强的方向磁矩。为了克服铁磁体的基本限制，研究人员求助于钆钴，这是一种铁磁体，相邻的自旋上下交替，这样它们就可以相互抵消，导致整体磁矩为零。

可以设计一个铁磁体，使其净磁化率为零，从而产生超小的自旋纹理，或者调整它，使其净角动量为零，从而产生超快的自旋纹理。”这些性能可以通过材料组成或温度来设计。2017年，Beach团队的研究人员和他们的合作者通过实验证明，他们可以通过在磁性层中引入一种特殊的缺陷，在特定的位置随意制造这些准粒子。莱梅什说：可以通过使用离子轰击等不同的局部技术来改变一种材料的性质，通过这种方法，你可以改变它的磁性，然后如果你向导线中注入电流，斯格米子(skyrmion)态就会在那个位置诞生。最初发现这种材料存在天然缺陷，后来通过金属丝的几何形状，它们变成了工程缺陷。用这种方法在新的自然纳米技术论文中创造了天空介子。

研究人员利用x射线全息术，在德国同步加速器中心的室温下拍摄了钴钆混合物中的斯格米子(skyrmion)态。Felix Buttner，海滩实验室的博士后，是这种x射线全息技术的开发者之一。这是唯一的一种技术，可以允许这样高分辨率的图像，可以看到这样大小的skyrmions。这些斯格米子(skyrmion)态只有10纳米大小，这是目前室温斯格米子(skyrmion)态的世界纪录。研究人员利用一种同样可以用来移动斯格米子(skyrmion)态的机制，证明了当前驱动的域壁运动速度为每秒1.3公里，这也创造了一项新的世界纪录。除了同步加速器的工作，所有研究都是在麻省理工学院完成，研究人员在麻省理工学院“种植”材料，制造材料，并对材料进行特性描述。

这些斯格米子(skyrmion)态是这些材料中电子自旋的一种自旋构型，而畴壁是另一种。域壁是自旋方向相反的域之间的边界。由于斯格米子(skyrmion)态是材料的基本属性，其形成和运动能量的数学表征涉及到一组复杂的方程，这些方程包含了它们的圆形尺寸、自旋角动量、轨道角动量、电子电荷、磁强度、层厚，以及一些捕捉相邻自旋和相邻层之间相互作用的能量的特殊物理术语，如交换相互作用。其中一种相互作用被称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，它是由铂层和磁层的电子相互作用产生，对形成斯格米子(skyrmion)态具有特殊的意义。勒梅什说：在季亚罗辛斯基-森也相互作用中，自旋相互垂直排列，从而稳定了天空介子。

DMI的相互作用使这些斯格米子(skyrmion)态具有拓扑结构，产生迷人的物理现象，使它们稳定，并允许它们随电流移动。卡塔塔说：铂本身提供了所谓的自旋电流，这是驱动自旋纹理的运动，自旋电流对邻近的铁或铁磁体的磁化提供了一个扭矩，这个扭矩最终导致了自旋结构的运动，基本上是用简单的材料在界面上实现复杂现象。在这两篇论文中，研究人员进行了微磁和原子自旋计算的混合，以确定形成斯格米子(skyrmion)态和移动它们所需的能量。事实证明，通过改变磁性层的比例，可以改变整个系统的平均磁性能，所以现在我们不需要使用不同的材料来产生其他性质。可以用不同厚度的间隔层稀释磁性层，就会得到不同的磁性，这就给了无限的机会来制造系统。

新罕布什尔大学(University of New Hampshire)物理学助理教授张家东(Jiadong Zang)在谈到这篇先进材料论文时表示：精确控制产生磁斯格米子(skyrmion)态是该领域的一个中心课题。这项工作提出了一种通过电流脉冲产生零场斯格米子(skyrmion)态的新方法。这无疑是朝着纳秒级斯格米子(skyrmion)态操纵迈出的坚实一步。英国利兹大学凝聚态物理学教授Christopher Marrows在评论《自然纳米技术报告》时表示：斯凯米子非常小，但在室温下可以稳定下来，这一点非常重要。Marrows注意到Beach小组在今年早些时候的一篇科学报告中预测了室温天空介子，并说：新结果是最高质量的研究工作。

卢卡斯·卡雷塔(左)和伊万·莱梅什是麻省理工学院材料科学与工程教授杰弗里·比奇实验室的研究生，去年12月，他们各自在一篇同行评议的期刊文章中发表了一篇封面文章。他们的工作开创了基于准粒子skyrmions的自旋电子器件的新方向。图片：Denis Paiste/Materials Research Laboratory

但是他们做出了预测，现实生活并不总是如理论预期的那样，所以他们应该为这一突破负全部责任。Zang在评论《自然纳米技术》的论文时补充道：斯格米子(skyrmion)态研究的一个瓶颈是要达到小于20纳米尺寸(相当于最先进的存储单元的尺寸)，并以每秒1公里以上的速度驱动它 运动，这两项挑战都在这项开创性的工作中得到了解决。一个关键的创新是使用铁磁体，而不是常用的铁磁体，来承载斯格米子(skyrmion)态，这项研究工作极大地刺激了基于skyrmi的内存和逻辑设备的设计，这绝对是skyrmion领域的一份明星论文。

基于这些斯格米子(skyrmion)态的固态设备有一天可能会取代现有磁存储硬盘驱动器。比奇在华盛顿大学的一次演讲中说：磁斯格米子(skyrmion)态流可以作为计算机应用程序的比特。在这些材料中，可以很容易地绘制出磁迹的图样。这些新发现可以应用于由IBM的Stuart Parkin开发的赛道内存设备。设计这些材料用于赛道设备的一个关键是设计能够形成skyrmions的材料，因为斯格米子(skyrmion)态是在材料存在缺陷的地方形成。理工学院材料研究实验室(MRL)的联合主任Beach说：人们可以通过在这类系统中设置缺口来进行设计，注入材料中的电流脉冲在缺口处形成了斯格米子(skyrmion)态。同样的电流脉冲可以用来写入和删除，这些斯格米子(skyrmion)态的形成速度非常快，不到十亿分之一秒。

为了能够有一个实用的操作逻辑或内存赛道设备，必须写入比特，这就是在创建磁准粒子时所讨论，必须确保写入比特非常小，必须以非常快的速度将比特通过材料进行转换。利兹大学的教授Marrows补充道：在基于斯基里米的自旋电子学中的应用将会受益，尽管现在就确定在包括记忆、逻辑器件、振荡器和神经形态学器件在内的各种各样的提议中哪个会是赢家还为时过早。剩下的一个挑战是阅读这些斯格米子(skyrmion)态位元的最佳方式。海滩小组在这一领域的工作仍在继续，目前的挑战是找到一种方法，以电的方式检测这些天空介子，以便在电脑或手机上使用它们。卡塔塔说：是的，所以不需要把你的手机带到同步加速器来读一点，由于在铁磁体和类似的反铁磁体系统上所做的一些工作，我认为该领域的大多数领域实际上将开始转向这类材料，因为它们拥有巨大的前景！

博科园-科学科普｜Denis Paiste, Massachusetts Institute of Technology

研究/来自：麻省理工学院

参考期刊文献:《Advanced Materials》,《Nature Nanotechnology》,《物理评论B》,《Scientific Reports》

DOI: 10.1002/adma.201805461

DOI: 10.1038/s41565-018-0255-3

DOI: 10.1103/PhysRevB.98.104402

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