控制快速、微小的磁性比特！

對於許多現代技術應用，如用於磁共振成像的超導導線，工程師們希望儘可能地消除電阻及其產生的熱量。然而事實證明，在固態計算機內存等自旋電子應用中，電阻產生的少量熱量是金屬薄膜的理想特性。同樣地，雖然缺陷在材料科學中通常也是不受歡迎，但它們可以用來控制被稱為斯凱密子的磁性准粒子產生。麻省理工學院傑弗里·s·d·比奇教授和他在加利福尼亞、德國、瑞士和韓國的同事在本月發表在《自然納米技術與高級材料》上的另一篇論文中指出：

博科園-科學科普：在室溫下可以在特製的層狀材料中產生穩定而快速移動的拓撲結構——斯格米子(skyrmion)態，創造了尺寸和速度的世界紀錄，而且每篇論文都登上了各自期刊的封面！為了發表在《高級材料》(Advanced Materials)上的這項研究，研究人員製作了一種金屬合金線，這種金屬合金由一種重金屬鉑、一種磁性材料鈷鐵硼和鎂氧組成，共15層。在這些層狀材料中，鉑金屬層和鈷鐵硼之間的界面創造了一種環境，在這種環境中，通過施加垂直於薄膜的外部磁場和沿導線長度傳播的電流脈衝：

麻省理工學院材料科學與工程教授傑弗里·比奇和他在加利福尼亞、德國、瑞士和韓國同事們的研究成果登上了《自然納米技術與先進材料》封面。圖片：Nature, Advanced Materials

可以形成拓撲結構——斯格米子(skyrmion)態。值得注意的是，在20毫安特斯拉的磁場下(磁場強度的一種測量方法)，導線在室溫下會形成天空介子。在349 kelvins(168華氏度)以上的溫度下，拓撲結構——斯格米子(skyrmion)態在沒有外部磁場的情況下形成，這是由材料升溫引起，即使材料冷卻到室溫，斯格米子(skyrmion)仍然保持穩定，比奇說：以前只有在低溫和強磁場的情況下才能看到這樣的結果。

可預測的結構

這篇高級材料論文的第一作者，也是麻省理工學院材料科學與工程專業的研究生Ivan Lemesh（合作作者包括資深作家比奇和其他17人）說：在開發了許多理論工具之後，我們現在不僅可以預測內部的斯格米子(skyrmion)態結構和大小，而且我們還可以做一個逆向工程問題，比如想要一個這樣大小的斯格米子(skyrmion)態，我們將能夠生成多層，或者材料，參數，這將導致該斯格米子(skyrmion)態的大小。電子的一個基本特徵是自旋，自旋可以指向上，也可以指向下。

斯格米子(skyrmion)態是一組電子的圓形簇，其自旋方向與周圍電子的方向相反，並且skyrmion保持順時針或逆時針方向。2018年11月30日萊梅什在波士頓的材料研究學會秋季會議上介紹了他的研究並表示：然而，除此之外，我們還發現磁性多層中的斯格米子(skyrmion)態形成了一種複雜、依賴於厚度的扭曲性質，這些發現發表在《物理評論B》上的另一項理論研究中。目前的研究表明，雖然這種扭曲結構對斯格米子(skyrmion)態計算平均尺寸的能力影響較小，但它對其電流誘導行為有顯著影響。

基本極限

在《自然納米技術》上發表的這篇論文中，研究人員研究了一種不同的磁性材料，將鉑與釓鈷合金和氧化鉭的磁性層疊加在一起。在這種材料中，研究人員展示了他們可以產生10納米大小的斯格米子(skyrmion)態，並證實他們可以在這種材料中快速移動。第一作者、材料科學與工程專業研究生盧卡斯·卡塔塔(Lucas Caretta)說：我們在這篇論文中發現，鐵磁體對於准粒子的大小以及利用電流驅動它們速度有基本極限。在鐵磁體中，例如鈷鐵硼，相鄰的自旋平行排列，產生很強的方向磁矩。為了克服鐵磁體的基本限制，研究人員求助於釓鈷，這是一種鐵磁體，相鄰的自旋上下交替，這樣它們就可以相互抵消，導致整體磁矩為零。

可以設計一個鐵磁體，使其凈磁化率為零，從而產生超小的自旋紋理，或者調整它，使其凈角動量為零，從而產生超快的自旋紋理。」這些性能可以通過材料組成或溫度來設計。2017年，Beach團隊的研究人員和他們的合作者通過實驗證明，他們可以通過在磁性層中引入一種特殊的缺陷，在特定的位置隨意製造這些准粒子。萊梅什說：可以通過使用離子轟擊等不同的局部技術來改變一種材料的性質，通過這種方法，你可以改變它的磁性，然後如果你嚮導線中注入電流，斯格米子(skyrmion)態就會在那個位置誕生。最初發現這種材料存在天然缺陷，後來通過金屬絲的幾何形狀，它們變成了工程缺陷。用這種方法在新的自然納米技術論文中創造了天空介子。

研究人員利用x射線全息術，在德國同步加速器中心的室溫下拍攝了鈷釓混合物中的斯格米子(skyrmion)態。Felix Buttner，海灘實驗室的博士後，是這種x射線全息技術的開發者之一。這是唯一的一種技術，可以允許這樣高解析度的圖像，可以看到這樣大小的skyrmions。這些斯格米子(skyrmion)態只有10納米大小，這是目前室溫斯格米子(skyrmion)態的世界紀錄。研究人員利用一種同樣可以用來移動斯格米子(skyrmion)態的機制，證明了當前驅動的域壁運動速度為每秒1.3公里，這也創造了一項新的世界紀錄。除了同步加速器的工作，所有研究都是在麻省理工學院完成，研究人員在麻省理工學院「種植」材料，製造材料，並對材料進行特性描述。

磁建模

這些斯格米子(skyrmion)態是這些材料中電子自旋的一種自旋構型，而疇壁是另一種。域壁是自旋方向相反的域之間的邊界。由於斯格米子(skyrmion)態是材料的基本屬性，其形成和運動能量的數學表徵涉及到一組複雜的方程，這些方程包含了它們的圓形尺寸、自旋角動量、軌道角動量、電子電荷、磁強度、層厚，以及一些捕捉相鄰自旋和相鄰層之間相互作用的能量的特殊物理術語，如交換相互作用。其中一種相互作用被稱為Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，它是由鉑層和磁層的電子相互作用產生，對形成斯格米子(skyrmion)態具有特殊的意義。勒梅什說：在季亞羅辛斯基-森也相互作用中，自旋相互垂直排列，從而穩定了天空介子。

DMI的相互作用使這些斯格米子(skyrmion)態具有拓撲結構，產生迷人的物理現象，使它們穩定，並允許它們隨電流移動。卡塔塔說：鉑本身提供了所謂的自旋電流，這是驅動自旋紋理的運動，自旋電流對鄰近的鐵或鐵磁體的磁化提供了一個扭矩，這個扭矩最終導致了自旋結構的運動，基本上是用簡單的材料在界面上實現複雜現象。在這兩篇論文中，研究人員進行了微磁和原子自旋計算的混合，以確定形成斯格米子(skyrmion)態和移動它們所需的能量。事實證明，通過改變磁性層的比例，可以改變整個系統的平均磁性能，所以現在我們不需要使用不同的材料來產生其他性質。可以用不同厚度的間隔層稀釋磁性層，就會得到不同的磁性，這就給了無限的機會來製造系統。

精確控制

新罕布希爾大學(University of New Hampshire)物理學助理教授張家東(Jiadong Zang)在談到這篇先進材料論文時表示：精確控制產生磁斯格米子(skyrmion)態是該領域的一個中心課題。這項工作提出了一種通過電流脈衝產生零場斯格米子(skyrmion)態的新方法。這無疑是朝著納秒級斯格米子(skyrmion)態操縱邁出的堅實一步。英國利茲大學凝聚態物理學教授Christopher Marrows在評論《自然納米技術報告》時表示：斯凱米子非常小，但在室溫下可以穩定下來，這一點非常重要。Marrows注意到Beach小組在今年早些時候的一篇科學報告中預測了室溫天空介子，並說：新結果是最高質量的研究工作。

盧卡斯·卡雷塔(左)和伊萬·萊梅什是麻省理工學院材料科學與工程教授傑弗里·比奇實驗室的研究生，去年12月，他們各自在一篇同行評議的期刊文章中發表了一篇封面文章。他們的工作開創了基於准粒子skyrmions的自旋電子器件的新方向。圖片：Denis Paiste/Materials Research Laboratory

但是他們做出了預測，現實生活並不總是如理論預期的那樣，所以他們應該為這一突破負全部責任。Zang在評論《自然納米技術》的論文時補充道：斯格米子(skyrmion)態研究的一個瓶頸是要達到小於20納米尺寸(相當於最先進的存儲單元的尺寸)，並以每秒1公里以上的速度驅動它 運動，這兩項挑戰都在這項開創性的工作中得到了解決。一個關鍵的創新是使用鐵磁體，而不是常用的鐵磁體，來承載斯格米子(skyrmion)態，這項研究工作極大地刺激了基於skyrmi的內存和邏輯設備的設計，這絕對是skyrmion領域的一份明星論文。

賽道系統

基於這些斯格米子(skyrmion)態的固態設備有一天可能會取代現有磁存儲硬碟驅動器。比奇在華盛頓大學的一次演講中說：磁斯格米子(skyrmion)態流可以作為計算機應用程序的比特。在這些材料中，可以很容易地繪製出磁跡的圖樣。這些新發現可以應用於由IBM的Stuart Parkin開發的賽道內存設備。設計這些材料用於賽道設備的一個關鍵是設計能夠形成skyrmions的材料，因為斯格米子(skyrmion)態是在材料存在缺陷的地方形成。理工學院材料研究實驗室(MRL)的聯合主任Beach說：人們可以通過在這類系統中設置缺口來進行設計，注入材料中的電流脈衝在缺口處形成了斯格米子(skyrmion)態。同樣的電流脈衝可以用來寫入和刪除，這些斯格米子(skyrmion)態的形成速度非常快，不到十億分之一秒。

為了能夠有一個實用的操作邏輯或內存賽道設備，必須寫入比特，這就是在創建磁准粒子時所討論，必須確保寫入比特非常小，必須以非常快的速度將比特通過材料進行轉換。利茲大學的教授Marrows補充道：在基於斯基里米的自旋電子學中的應用將會受益，儘管現在就確定在包括記憶、邏輯器件、振蕩器和神經形態學器件在內的各種各樣的提議中哪個會是贏家還為時過早。剩下的一個挑戰是閱讀這些斯格米子(skyrmion)態位元的最佳方式。海灘小組在這一領域的工作仍在繼續，目前的挑戰是找到一種方法，以電的方式檢測這些天空介子，以便在電腦或手機上使用它們。卡塔塔說：是的，所以不需要把你的手機帶到同步加速器來讀一點，由於在鐵磁體和類似的反鐵磁體系統上所做的一些工作，我認為該領域的大多數領域實際上將開始轉向這類材料，因為它們擁有巨大的前景！

博科園-科學科普｜Denis Paiste, Massachusetts Institute of Technology

研究/來自：麻省理工學院

參考期刊文獻:《Advanced Materials》,《Nature Nanotechnology》,《物理評論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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