磁性材料中的斯格明子與反斯格明子

你能想象常用的筆記本電腦硬盤可以縮成米粒大小嗎?一種磁性領(lǐng)域的神秘準粒子結(jié)構(gòu)——斯格明子(skyrmion)可以讓這個看似不可思議的想法成為現(xiàn)實，而且這顆“米粒”存儲空間更大、數(shù)據(jù)傳輸速率更快。近日，中國科學(xué)院強磁場科學(xué)中心研究員陸輕鈾及其合作團隊采用自主研制的強磁場磁力顯微鏡，在約3納米厚的釕酸鍶(SrRuO3)氧化物薄膜中直接觀測到了斯格明子。該成果發(fā)表在《自然·材料》期刊上，為進一步探索該磁結(jié)構(gòu)的存在規(guī)律和人為操控提供了參考。

一種納米尺度的新型磁結(jié)構(gòu)

“之所以將斯格明子稱為‘準粒子’，是因為斯格明子是由一小群磁矩(原子尺度的小磁針)以相鄰磁矩間具有特定小夾角(不是傳統(tǒng)的平行或反平行)的方式組成的磁矩集體。在外電流等驅(qū)動作用下，它是一個能夠像真實粒子一樣運動的行動集體。”陸輕鈾在接受科技日報記者采訪時表示。

“在這個集體中，相鄰磁矩的夾角分布開去，最終形成對這個磁矩集體的一種保護，使其能夠穩(wěn)定存在，協(xié)同移動。”陸輕鈾指出，斯格明子是一種納米尺度上的新型磁結(jié)構(gòu)。

早在1962年，英國物理學(xué)家托尼·斯格明就通過理論推演和計算預(yù)言了這種準粒子的存在，但直到20年后，即1982年，這一粒子才被科學(xué)界關(guān)注并命名為斯格明子。2009年，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家繆保爾等在一次偶然的情況下，采用小角度中子散射方法首次在硅化錳單晶體中觀測到了斯格明子;很快，日本東京大學(xué)研究人員采用洛倫茲透射電子顯微鏡在鐵鈷硅氧化物薄層中“看”到了斯格明子，從此學(xué)界開啟了對斯格明子的研究熱潮。

經(jīng)過近十年如火如荼的研究和發(fā)展，人們在手性磁體、磁性薄膜等多種材料中均發(fā)現(xiàn)了斯格明子的存在。更加有趣的是，上述材料屬于不同體系，具有不同的物理特性，其產(chǎn)生的斯格明子也在尺寸、穩(wěn)定性、動力學(xué)性質(zhì)等方面不盡相同。據(jù)文獻資料，手性磁體中的斯格明子尺寸在10—100納米。手性磁體往往需要通過人為施加外部磁場才能獲得穩(wěn)定的斯格明子，極大地限制了其在實際應(yīng)用中的價值。磁性薄膜中的斯格明子尺寸在100—1000納米，可在室溫下穩(wěn)定存在，從這個角度來講，其穩(wěn)定性優(yōu)于手性磁體中的斯格明子，但同樣也有尺寸和制備工藝上的限制。

還有很多其他材料體系中也證實了斯格明子的存在，如氧化物薄膜。“由于氧化物本身不易被腐蝕或者發(fā)生其他化學(xué)反應(yīng)，具有較好的穩(wěn)定性，且可通過調(diào)控制備工藝參數(shù)人為精確地控制薄膜的面積、厚度、內(nèi)應(yīng)力等，因此，在氧化物薄膜中觀測到斯格明子，意味著該領(lǐng)域的研究從基礎(chǔ)理論向?qū)嶋H應(yīng)用又推進了一步。”陸輕鈾表示。

下一代存儲的“天命之選”

斯格明子究竟有何“魅力”，能夠讓全球眾多科學(xué)家為之著迷并付出諸多努力?“現(xiàn)階段，斯格明子展示了在信息技術(shù)領(lǐng)域中的巨大潛力，被認為是下一代信息存儲設(shè)備的優(yōu)越材料。”陸輕鈾告訴記者。

隨著信息化時代的發(fā)展，人們在享受海量信息和便捷服務(wù)的同時，也為信息存儲帶來了越來越大的挑戰(zhàn)。“最初的磁存儲設(shè)備基于磁疇。所謂磁疇，即磁性材料內(nèi)部的微小區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)包含若干原子，這些原子的磁矩方向一致，像一個個小磁鐵一樣整齊排列。不同磁矩方向的磁疇可分別對應(yīng)二進制中的0和1，從而實現(xiàn)計算機語言中的數(shù)據(jù)存儲。但是如果兩個磁疇相距太近，便有可能相互干擾，使得兩個磁疇“粘”在一起，不可分辨，破壞數(shù)據(jù)記錄的準確性，也限制了存儲密度。據(jù)悉，目前磁存儲設(shè)備中的磁疇間距一般為25納米，但斯格明子的出現(xiàn)可以使間距縮短至6納米。

為何斯格明子之間近距離排列還能不受干擾?“這是由斯格明子本身的物理特性決定的。與磁疇不同，斯格明子內(nèi)部磁矩方向不一致，整體呈現(xiàn)出漩渦狀的自旋結(jié)構(gòu)。因此兩個斯明格子之間的相互作用力較小，可以實現(xiàn)近距離排布，從而能夠大幅度提升存儲密度。”陸輕鈾告訴記者，如果能夠利用斯格明子作為機器存儲的基本單元，存儲器件的密度至少可提升1—2個數(shù)量級。換個角度來講，在保證存儲容量不變的情況下，臺式電腦硬盤可將體積縮小至花生米大小，筆記本電腦硬盤的體積可與米粒相當(dāng)。

存儲密度和容量的提升讓斯格明子迅速“虜獲”了科研人員的心，更何況，驅(qū)動斯格明子“運動”的電流密度可降低至傳統(tǒng)磁疇的百萬分之一，能夠有效控制存儲器件散發(fā)的熱量并極大地提升計算速度。陸輕鈾進一步解釋，斯格明子的“運動”并非其內(nèi)部原子的空間位置進行了整體移動，而是原子磁矩的排布方式整體發(fā)生了傳播，類似于體育看臺上“人浪”的傳播式移動，從而在整體效果看來，斯格明子發(fā)生了移動。學(xué)界認為，斯格明子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在運動過程中遇到晶體缺陷或自旋缺陷時能夠“視而不見”、輕易穿越，而磁疇運動時則易受晶體內(nèi)部缺陷的“釘扎”，不易穿行。也有學(xué)者從能量角度試圖解釋其機理，認為斯格明子處于較高能態(tài)，在外力驅(qū)動下容易改變磁矩方向，實現(xiàn)“運動”。

精準操控讓其“乖巧聽話”太難

斯格明子在基礎(chǔ)科學(xué)、存儲應(yīng)用領(lǐng)域都展示出了誘人的潛力，但真正在現(xiàn)實生活中得到應(yīng)用并建設(shè)成為一個相對完善的學(xué)科還有很長的路要走。

在陸輕鈾看來，單個斯格明子的精準控制是亟待解決的問題之一。斯格明子的存在與否可以分別對應(yīng)二進制信息存儲中的0和1，這就給研究者指出了前進的方向——如何有效控制斯格明子產(chǎn)生和湮滅行為，并實現(xiàn)低能耗、快速響應(yīng)的精準操控。

在微觀層面，讓斯格明子變得“乖巧聽話”很難;在宏觀世界里，斯格明子材料的高度重復(fù)性制備也不是件容易的事情，更何況目前發(fā)現(xiàn)的斯格明子尺寸、特性不一，其載體材料還沒有找到較為通用的規(guī)律。另一方面，現(xiàn)階段大部分研究還只停留在薄膜或準二維體系的材料中，三維材料中的斯格明子形態(tài)及特性還有待進一步挖掘。有學(xué)者指出，斯格明子沿著磁場方向并非簡單堆疊，靠近表面處可能形成扭曲，也可能會產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)。美國新罕布什爾大學(xué)物理系凝聚態(tài)理論研究組教授臧佳棟曾撰文表示，初步研究表明, 斯格明子在三維中有更豐富的磁結(jié)構(gòu)，它們的形成和動力學(xué)能夠作為未來三維自旋電子學(xué)和類腦器件的鋪墊。

“每一個新的思想或事物的誕生都不會一蹴而就，而是需要一個慢慢積淀的過程。”陸輕鈾表示，自人類首次觀測到斯格明子以來，不過短短十載。未來，還有更加廣闊的空間等待著相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者攜手共進，探索未知、創(chuàng)造未知。(記者 于紫月)

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