基於斯格明子的納米薄膜：未來數據存儲的新希望！

導讀

數字化時代到來，大量數據信息使得我們需要更加快速、有效、節能的處理和存儲數據，提高存儲技術。新加坡國立大學的科研人員最近發明了一種新型超薄多層膜，能夠有效利用一種手型自旋結構單元：「斯格明子」進行信息的存儲，它被廣泛研究認為是下一代數據存儲和邏輯設備的主要信息載體。

圖解：楊（音譯）副教授（左）和 Shawn Pollard博士（右），來自新加坡國立大學工學院電氣和計算機工程系，是開發這種新型超薄多層膜的研究團隊的核心成員，這種薄膜可以利用「斯格明子」的特性作為信息媒介物，用於存儲和處理位於磁媒體上的數據。

（圖片來源於：Siew Shawn Yohanes / 新加坡國立大學）

背景知識

「斯格明子」（skyrmion），由英國物理學家（Tony Hilton Royle Skyrme）於1962年首次發現，因此也由他的名字而命名。

斯格明子具有準粒子特性的拓撲自旋構形，電荷以漩渦狀穩定排列，電荷雖然可以被重新移動組合，但是這種結構不會改變。

在斯格明粒子內部，旋轉電子指向不同的方向，從而在彼此接近時，很難彼此粘在一起，這樣的結構有利於存儲設備的微型化。

另外，優於它具有穩定的拓撲結構，這種特殊的自旋排列，導致驅動斯格明子狀態改變的電流密度，要比驅動傳統磁疇低5-6個量級。

兩種類型的斯格明子結構：構型(a)刺蝟斯格明子 (hedgehog skyrmion) 和構型(b)螺旋斯格明子（spiral skyrmio）。

（圖片來源於：維基百科）

目前，磁性斯格明子材料的研究主要集中具有「Dzyaloshinskii-moriya 相互作用」（DMI）的手性晶體（如MnSi、FeCoSi、FeGe、MnGe等），以及多鐵材料（Cu2OSeO3、MnZn鐵氧體材料）。

DMI（DM相互作用），是指磁性材料中另外一種不對稱的交換作用。DMI，可以幫助穩定斯格明子。

這些具有磁性斯格明子結構的材料，有望成為構建未來高密度、高速度、低能耗磁信息存儲器件的理想候選材料。

關鍵瓶頸

然而，沒有平面外的磁場存在，斯格明子的穩定性會受到影響而退化，另外由於它的尺寸十分微小，所以影像這種納米材料會變得十分困難。

創新探索

為了解決上述問題，新加坡國立大學（NUS）電氣和計算機工程系的副教授 Yang Hyunsoo、以及Shawn Pollard 博士、Yu Jiawei 女士組成的團隊，致力於在室溫條件下，創建一種穩定的斯格明子，無需偏置磁場。

他們發現了由「鈷和鈀」組成的多層薄膜中，可以維持一種強大的DM相互作用，足以穩定斯格明子的自旋結構。

另外，為了對於這些薄膜微小的磁結構進行影像，NUS的研究人員和美國的布魯克黑文國家實驗室進行合作，使用了洛倫茲透射電子顯微鏡（L-TEM）。L-TEM能夠影像小於10納米的磁結構，但是它之前並沒有應用於觀察多層幾何結構中的斯格明子，因為之前認為它將會變得無信號。然而，當進行實驗時，研究人員發現通過相對於電子束傾斜薄膜，他們能夠獲取清楚的對比圖像，和預期的斯格明子一致，尺寸小於100納米。

（圖片來源於：參考資料【2】）

創新價值

這種納米級的薄膜由新加坡國立大學、布魯克黑文國家實驗室 、紐約州立大學石溪分校、路易斯安那州立大學一起合作開發，它意味著科研人員朝著設計比現有存儲技術更加低功耗、高速率的數據存儲設備的目標，又邁出了至關重要的一步。

Pollard 博士說：

「很長時間以來，我們一直認為在對稱結構中沒有DMI，就像我們之前的一項研究中所說。但是，我們真沒有料到，在我們製造的多層薄膜中發現了大量的DMI和斯格明子。更進一步說，這些納米級的斯格明子，甚至在外部偏置磁場消失後仍然維持，這是它們同類中的首次。」

楊副教授補充道：

「這個實驗不僅展示了L-TEM在我們研究這些系統時的作用，而且提供了一種可以在其中創建斯格明子的全新材料。因為無需偏場，這種基於斯格明子的器件的設計和實現被大大地簡化了。這種小型的斯格明子，與這裡產生的讓人難以置信的可能性相結合，未來可以用於設計下一代自旋電子元器件，這些器件是能源友好的，並且可以超越現有的存儲技術。」

未來展望

楊副教授和他的團隊目前正致力於研究納米級的斯格明子相互之間以及和電流之間如何交互，以進一步開發基於斯格明子的電子設備。

參考資料

【1】http://news.nus.edu.sg/press-releases/ultra-thin-multilayer-film

【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】http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201605/t20160530_4612358.html

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