磁浮子：為存儲技術發展帶來新機遇！
背景
在傳統計算機中，數據往往是以二進位形式的「0」與「1」來存儲。例如，我們常見的磁表面存儲器，就是利用塗覆在載體表面的磁性材料的兩種不同的磁化狀態，來表示二進位信息的「0」和「1」。然而，據媒體報道，科學家們曾發現一種奇特的粒子，能將筆記本計算機硬碟縮小至花生大小。
這種粒子就是「斯格明子」（Skyrmion），它是一種具有粒子特性的拓撲磁結構。這一概念最早在高能物理中被提出，是由英國物理學家Tony Skyrme於1962年在理論上求解非線性sigma模型得出的一個非平庸經典解，是一種拓撲孤立子，現在常指磁性材料中的斯格明子。
（圖片來源：維基百科）
斯格明子具有尺寸小、穩定性高、操控難度低等特點，有利於未來構建高密度、高速度、低能耗的磁存儲器。一段時間，這種稱為「斯格明子」的微型磁渦旋結構受到了科學家們集中的研究。例如，筆者曾介紹過新加坡國立大學的科研人員發明的一種新型超薄多層膜，就是利用斯格明子進行信息存儲。
（圖片來源：Siew Shawn Yohanes / 新加坡國立大學）
但是，德國於利希研究中心教授 Stefan Blügel 表示：「迄今為止，數字數據都被認為應該以一系列斯格明子和空白空間來代表。」相繼的斯格明子之間的距離可編碼二進位信息。然而，它必須經過控制或者量子化，從而使得斯格明子在自髮漂移的過程中不會丟失信息。
創新
近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心與德國於利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的科學家們合作，通過實驗手段發現了另外一種粒子般的磁性物體:「手性磁浮子」（chiral magnetic bobbers），為解決上述問題帶來了新機遇。
用一系列的磁浮子（畫面前方）與斯格明子（畫面後方）編碼數字數據
（圖片來源：N. Kiselev / 德國於利希研究中心）
數字數據的編碼可以直接通過一系列的斯格明子和手性磁浮子來進行。它們每一個都可以自由漂移，無需相繼數據比特載體之間保持準確的距離。這項研究將數據存儲設備的開發向前推進了一大步。
技術
如果斯格明子用於編碼數據「1」，那麼磁浮子就用於編碼數據「0」。手性磁浮子是一種出現於特定合金表面附近的三維磁結構。
於利希研究中心 Peter Grünberg 研究所（PGI-1）博士 Nikolai Kiselev 表示：「長期以來，手性磁體領域研究的唯一對象就是磁性斯格明子。現在我們為科研人員的研究提供了一種新對象【磁浮子】，它具有一系列獨特的特性。」三年前，他與研究所主任教授 Stefan Blügel 以及其他合作夥伴一起，從理論上預測了這種新型磁結構的存在。
現在，來自德國恩斯特魯斯卡電子顯微學與電子譜學中心（Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons）的主任教授 Rafal E. Dunin-Borkowski 及其同事們通過實驗成功地在真實材料中證明了這種磁浮子的存在。
以斯格明子為代表的磁結構的穩定性與材料的一種特性相關，它就是手性。手性一詞指一個物體不能與其鏡像相重合，例如我們的雙手，左手與互成鏡像的右手不重合。左手不能轉化為右手，同樣右手磁結構和左手磁結構也不能相互轉化。
此外，斯格明子和新發現的手性磁浮子都非常微小，一般來說直徑只有幾十納米。因此，原則上它們可用於在存儲晶元上非常密集地打包數據。然而，它們的小尺寸使得觀察變得極具挑戰性。Rafal Dunin-Borkowski 解釋道：「在這麼小尺寸基礎上的磁織構可視化，需要採用全世界範圍內只有少數幾個實驗室才有的最先進的技術。」
為什麼磁孤子（在非線性物理中這種粒子般的物體的另一個名字），例如斯格明子和手性磁浮子，具有很好的應用前景？另外一個重要原因就是：與存儲於硬碟驅動器中的數據比特不同，斯格明子是可移動的物體。一個非常微弱的電流脈衝，就可以引發它們沿著晶元中的引導軌跡運動。這一特性為開發全新的磁性固態存儲器（也稱為斯格明子賽道存儲器）帶來了新的機遇。Nikolai Kiselev 解釋道：「斯格明子的可移動性，使得數據在從寫元件移動到讀元件過程中，無需任何可移動的機械部件例如讀寫頭，也無需硬碟本身旋轉。」
賽道存儲器的概念示意圖：磁性物體從讀元件移動到寫元件
（圖片來源：T. Schl??er / 德國於利希研究中心）
價值
這種能力節約了能量。這是因為組件的運動通常需要更多的能量，佔用更多的空間，而且對機械振動與衝擊敏感。新型固態磁存儲器沒有上述缺點。現在，新發現的磁粒子使得通過兩種類型的磁性物體（斯格明子和磁浮子）直接編碼數字數據變為可能。
未來
下一步的研究就是開發實際應用。在 Nikolai Kiselev 及其同事們研究的鐵鍺合金中，這種結構只有在達200開爾文（零下73.5攝氏度）的條件下才是穩定的。然而，科學家們通過理論探討預測，就像最近發現的一些種類的斯格明子一樣，磁浮子也可能在其他手性磁體中產生，也可以存在於室溫條件下。
關鍵字
磁、斯格明子、存儲技術
參考資料
【1】http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/EN/2018/notifications/2018-06-28-magnetic-bobbers.html
【2】Fengshan Zheng, Filipp N. Rybakov, Aleksandr B. Borisov, Dongsheng Song, Shasha Wang, Zi-An Li, Haifeng Du, Nikolai S. Kiselev, Jan Caron, András Kovács, Mingliang Tian, Yuheng Zhang, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski.Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe. Nature Nanotechnology, 2018; 13 (6): 451 DOI: 10.1038/s41565-018-0093-3
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