导读

美国麻省理工学院科研人员与德国、瑞士、韩国的同事们在特制的分层材料中，生成了在室温条件下稳定并且快速移动的斯格明子，创造了尺寸与速度的世界记录。这项研究有望带来高密度、高速度、低能耗的新一代自旋电子存储器件。

背景

在许多的现代技术应用中，工程师们想要尽可能地消除电阻以及随之产生的热量，例如磁共振成像所用的“超导线”。然而，事实证明，在自旋电子学应用中，例如计算机固态存储器等所采用的金属薄膜中，由电阻产生的少许热量，却是一种“可取”的特性。

有异曲同工之妙的是，材料科学中的“缺陷”通常是“不可取”的，但是它们却可以用于控制生成被称为“斯格明子（skyrmion） ”的磁性准粒子。

什么是“斯格明子”？

斯格明子，由英国物理学家托尼·斯格明（Tony Hilton Royle Skyrme）于1962年首次发现，由他的名字而命名。简单说，斯格明子是一种具有准粒子特性并且受拓扑保护的自旋结构。

（图片来源：参考资料【2】）

斯格明子的尺寸可以小到纳米级，有着受拓扑保护的稳定性。同时，驱动斯格明子状态改变的电流密度，比驱动传统磁畴所需的低5到6个量级。由于这些卓越的特性，斯格明子被普遍认为是高密度、高速度、低能耗的新一代磁存储器件的理想信息存储单元之一。

举个例子，2017年4月，笔者曾介绍过新加坡国立大学的科研人员发明了一种新型超薄多层膜，能有效利用斯格明子存储信息。他们发现，由钴和钯组成的多层薄膜中，可以维持一种强大的相互作用，足以稳定斯格明子的自旋结构。它就是“Dzyaloshinskii-Moriya（DM）”相互作用，是指不同材料之间的一种界面对称破缺的相互作用。

创新

今天，笔者要介绍的是美国麻省理工学院教授 Geoffrey S.D. Beach 小组的研究人员与来自美国加州、德国、瑞士、韩国的同事们研究斯格明子所取得的非常关键的突破性进展。

他们在《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》和《先进材料（Advanced Materials）》期刊上发表的两篇独立的论文中报告称，他们在特殊研制的分层材料中，生成了在室温条件下稳定并且快速移动的斯格明子，创造了尺寸与速度的世界记录。每一篇论文都登上了各自的期刊封面。

（图片来源：麻省理工学院）

技术

在《先进材料》期刊上发表的研究【3】中，研究人员们创造出由铂（一种重金属）、钴铁硼（一种磁性材料）以及氧化镁组成的特制金属合金反复堆叠15层所形成的一根线。在这些分层材料中，铂金属层与钴铁硼之间的界面创造出一种环境。在这种环境中，斯格明子可以通过施加“垂直于薄膜的外部磁场”以及“沿着线长度传输的电流脉冲”来形成。

尤其是，这根线在20毫特斯拉（特斯拉是一种表述磁感应强度的国际通用单位）的磁场中，形成了室温条件下的斯格明子。在高于349K（约76℃）的温度中，斯格明子在没有外部磁场的条件下生成了，而这种效应是由于材料加热而产生的。在材料冷却至室温之后，斯格明子仍然可以保持稳定。Beach 表示，之前只有在低温以及施加强大磁场的情况下，研究人员们才能看到这种成果。

发表于《先进材料》期刊上的论文的第一作者、麻省理工学院材料科学与工程系研究生 Ivan Lemesh 表示：“在开发一些理论工具之后，现在我们不仅可以预测内部的斯格明子的尺寸与结构，而且可以采用逆向工程的方法研究问题。比方说，我们想要某个尺寸的斯格明子，那么我们就可以生成特定尺寸斯格明子所需的多层结构、材料、参数。” 这篇论文的合著者包括高级作者 Beach 以及其他17人。

自旋是电子的基本特性，可以被理解为一种角动量，要么“向上”，要么“向下”。斯格明子是一种圆形的电子“簇”，这些电子的自旋方向与周围的电子相反，而斯格明子保持着顺时针或者逆时针的方向。

去年11月30日，在波士顿召开的材料研究学会（MRS）秋季会议上所作的报告中，Lemesh 表示：“然而，最重要的是，我们也发现了位于磁性多层结构中的斯格明子形成了一种复杂的‘全厚度依赖’的扭曲特性。”去年9月，这些成果在《物理评论B》期刊上一篇独立的理论研究论文【4】中发表。

目前的研究表明，虽然这种扭曲的斯格明子结构对于斯格明子平均尺寸的计算产生的影响较小，但是却显著地影响其电流感应行为。

在发表于《自然纳米技术》期刊上的论文中【5】，研究人员们研究了一种不同的磁性材料，用“钆钴合金磁性层”和“氧化钽”对于“铂”进行分层。在这种材料中，研究人员展示了他们能生成尺寸小到10纳米的斯格明子，并确认它们可以在材料中高速运动。

这篇论文的第一作者、材料科学与工程系研究生 Lucas Caretta 表示：“我们在这篇论文中发现的是，铁磁体从根本上限制了你可以创造的准粒子的尺寸以及采用电流能将这些准粒子驱动得多快。”

在铁磁体中，例如钴铁硼，邻近的自旋相互平行对齐，并形成一种强大的定向磁矩。为了突破铁磁体的根本限制，研究人员转向了钆钴合金，它是一种亚铁磁体，其中邻近的自旋的指向上下交替，因此它们可以相互抵消，从而带来总体的零磁矩。

Caretta 表示：“我们可以设计亚铁磁体，使得净磁场为零，带来超小的自旋纹理；或者，调整它以使净角动量为零，带来超高速的自旋纹理。这些特性可以通过材料的组成或者温度来设计。”

2017年，Beach 小组的研究人员及其合作伙伴们通过实验证明，他们能够在磁性层中引入一种特殊的缺陷，从而在特定位置随意创造出这些准粒子。

Lemesh 表示：“你可以采用不同的局部技术改变材料的特性，例如离子轰击，通过这么做来改变它的磁性。如果你将电流注入到线中，斯格明子将在那个位置产生。”

Caretta 补充道：“最初发现的是材料中的自然缺陷，然后它们成为了贯穿整条线的人造缺陷。”

在《自然纳米技术》期刊上的新论文中，他们采用这种技术创造出了斯格明子。

在德国的同步加速器中心，研究人员采用X射线全息摄影术（X-ray holography），在室温条件下，拍摄到了钴钆混合物中的斯格明子图像。Beach 实验室的博士后 Felix Büttner 是这种X射线全息摄影术开发者之一。Caretta 表示：“它是能够拍摄到如此高分辨率图像的仅有的几项技术之一。从图像中，你可以分辨出这个斯格明子的尺寸。”

这些斯格明子的尺寸只有10纳米那么小，是目前室温下的斯格明子的世界记录。研究人员们演示了电流驱动的畴壁运动速度达1.3千米/秒，其中所采用的机制也适用于斯格明子运动，这又创造了一项新的世界记录。

除了同步加速器的工作，所有的研究都在麻省理工学院完成。Caretta 表示：“我们在麻省理工学院，生长这种材料，进行制造，并描述这种材料的特性。”

在这些材料中，斯格明子是一种电子自旋组态，而畴壁是另外一种。畴壁，是自旋方向相反的“畴”之间的分界面。在自旋电子学中，这些组态被称为“孤子（solitons）”或者“自旋纹理”。因为斯格明子是材料的一种基本属性，对其形成与运动的能量的“数学描述”包括一系列复杂的方程，这些方程中含有它们的圆形尺寸、自旋角动量、轨道角动量、电荷、磁场强度、层的厚度以及几个特殊的物理术语，这些术语用于描述相邻自旋和相邻层之间相互作用的能量，例如交换作用。

其中一种相互作用就是DM相互作用，对于形成斯格明子具有特殊的意义。它来源于铂层与磁层中电子的相互作用。Lemesh 表示，在DM相互作用中，自旋相互垂直对齐，使得斯格明子变稳定。DM相互作用让这些斯格明子受到拓扑保护，从而产生了“美妙”的物理现象，使之变稳定，也能在电流中运动。

Caretta 表示：“铂本身提供了一种所谓的‘自旋电流’，它驱动了自旋纹理运动。自旋电流，为与之邻近的铁磁体或者亚铁磁体的磁化强度提供了一个转矩，这个转矩最终引起了自旋纹理运动。基本上，我们采用了简单的材料在界面上实现了复杂的现象。”

在两篇论文中，研究人员“混合地”进行了微磁与原子自旋计算，从而判断形成斯格明子以及移动它们所需的能量。

Lemesh 表示：“事实表明，通过改变磁性层的一部分，你就能改变整个系统的平均磁特性，所以现在我们无需采用不同的材料来生成其他特性。你可以通过不同厚度的分隔层稀释磁性层，就可以得到不同的磁特性，它为打造你的系统提供了无限多的机会。”

Lucas Caretta (左) 和 Ivan Lemesh（图片来源：Denis Paiste/

价值

新罕布什尔大学物理系助理教授 Jiadong Zang，虽然没有参与这项研究，但是对《先进材料》期刊上的论文作出了评论。他说：“精准地控制生成磁性斯格明子是这一领域的中心主题。这项工作展现了一种生成零场斯格明子的新方法。这无疑是朝着纳秒级的斯格明子操作迈出的坚实的一步。”

英国利兹大学凝聚态物理教授 Christopher Marrows 对《自然纳米技术》上发表的论文评论道：“斯格明子变得如此小，而且可以在室温下变得稳定，这一事实具有十分重大的意义。”

Marrows 没有参与这项研究，但是注意到了 Beach 小组今年早些时候在《科学报告（Scientific Reports）》期刊上发表的论文【6】中预测了室温条件下的斯格明子，认为这些新成果具有极高的质量。Marrows 表示：“虽然真实生活并不总是符合理论期望，但是他们还是进行了预测。所以他们配得这项突破的所有殊荣。”

Zang 教授对于《自然纳米技术》上发表的论文补充评论道：“斯格明子研究的一个瓶颈在于，达到20纳米（最先进的存储单元的尺寸）以下的尺寸，并以超高1千米/秒的速度驱使其运动。在这项影响深远的研究中，这两项挑战都得到了解决。”

Zang 教授表示：“创新的关键在于，采用亚铁磁体取代普遍采用的铁磁体来容纳斯格明子。这项工作极大地激发了基于斯格明子的存储器件以及逻辑器件的研究热情。它无疑是斯格明子领域的一篇明星级的论文。”

未来

未来，基于这些斯格明子构造的固态器件有望取代现有的磁存储硬盘驱动器。磁性斯格明子“流”可以作为计算机应用中的“比特”。在MRS的报告中，Beach 说道：“在这些材料中，我们能轻而易举地设计出磁道。”

这些新发现可以用于“赛道存储器”，这种存储器由IBM公司的 Stuart Parkin 开发。将这些材料应用于赛道存储器的关键在于，将缺陷审慎地设计到材料中，而斯格明子正是在这些材料的缺陷处形成的。

麻省理工学院材料研究实验室（MRL）的共同主任 Beach 表示：“我们可通过在这种系统上加上‘槽口’来设计。”电流脉冲注入到材料中，在槽口处形成斯格明子。他说：“同样的电流脉冲可用于写入和擦除。”Beach 说，这些斯格明子形成得极快，不到十亿分之一秒。

Caretta 表示：“为了制造出一种实用的逻辑运算器件或者赛道存储器件，你必须写入比特信息，也就是我们讨论的创造磁性准粒子，而且你还必须以极快的速率‘翻译’通过材料的‘比特’。”

利兹大学的教授 Marrows 补充道：“基于斯格明子的自旋电子学的应用将从这项研究中受益，虽然在包括存储器件、逻辑器件、振荡器、神经形态器件的各种提案中，说出哪一种将是最终获胜者，还是稍微早了一点。”

剩下的挑战之一就是读出这些斯格明子比特的最佳方法。Lemesh 表示，Beach 小组将继续在这一领域的工作，探索出一种通过电气方式检测这些斯格明子的方法，从而应对目前的挑战，使之可以在计算机和手机中得到应用。

Caretta 表示：“是的，这样你就不需要将手机带到同步加速器来读出一个比特。根据亚铁磁体和反铁磁体的相关研究成果来看，我认为该领域的大多数研究实际上将开始转向这些材料，因为它们极具前景。”

关键字

斯格明子、自旋电子学、存储技术

参考资料

【1】http://news.mit.edu/2019/mit-materials-science-engineering-skyrmion-research-0103

【2】Pollard, S. D., Garlow, J. A., Yu, J., Wang, Z., Zhu, Y., & Yang, H. (2017, March 10). Observation of stable Néel skyrmions in cobalt/palladium multilayers with Lorentz transmission electron microscopy. Nature Communications.

【3】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805461

【4】https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.104402

【5】https://www.nature.com/articles/s41565-018-0255-3

【6】https://www.nature.com/articles/s41598-018-22242-8