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?一種磁性領域的神秘準粒子結構——斯格明子(skyrmion)可以讓這個看似不可思議的想法成為現實，而且這顆“米粒”存儲空間更大、數據傳輸速率更快。近日，中國科學院強磁場科學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。該成果發表在《自然·材料》期刊上，為進一步探索該磁結構的存在規律和人為操控提供了參考。

一種納米尺度的新型磁結構

“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(不是傳統的平行或反平行)的方式組成的磁矩集體。在外電流等驅動作用下，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，使其能夠穩定存在，協同移動。”陸輕鈾指出，斯格明子是一種納米尺度上的新型磁結構。

早在1962年，英國物理學家托尼·斯格明就通過理論推演和計算預言了這種準粒子的存在，但直到20年后，即1982年，這一粒子才被科學界關注并命名為斯格明子。2009年，德國慕尼黑工業大學的物理學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，從此學界開啟了對斯格明子的研究熱潮。

經過近十年如火如荼的研究和發展，人們在手性磁體、磁性薄膜等多種材料中均發現了斯格明子的存在。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，其產生的斯格明子也在尺寸、穩定性、動力學性質等方面不盡相同。據文獻資料，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定的斯格明子，極大地限制了其在實際應用中的價值。磁性薄膜中的斯格明子尺寸在100—1000納米，可在室溫下穩定存在，從這個角度來講，其穩定性優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生其他化學反應，具有較好的穩定性，且可通過調控制備工藝參數人為精確地控制薄膜的面積、厚度、內應力等，因此，在氧化物薄膜中觀測到斯格明子，意味著該領域的研究從基礎理論向實際應用又推進了一步。”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家為之著迷并付出諸多努力?“現階段，斯格明子展示了在信息技術領域中的巨大潛力，被認為是下一代信息存儲設備的優越材料。”陸輕鈾告訴記者。

隨著信息化時代的發展，人們在享受海量信息和便捷服務的同時，也為信息存儲帶來了越來越大的挑戰。“最初的磁存儲設備基于磁疇。所謂磁疇，即磁性材料內部的微小區域，每個區域內包含若干原子，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二進制中的0和1，從而實現計算機語言中的數據存儲。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，破壞數據記錄的準確性，也限制了存儲密度。據悉，目前磁存儲設備中的磁疇間距一般為25納米，但斯格明子的出現可以使間距縮短至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，斯格明子內部磁矩方向不一致，整體呈現出漩渦狀的自旋結構。因此兩個斯明格子之間的相互作用力較小，可以實現近距離排布，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。

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，驅動斯格明子“運動”的電流密度可降低至傳統磁疇的百萬分之一，能夠有效控制存儲器件散發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，斯格明子發生了移動。學界認為，斯格明子結構穩定，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部缺陷的“釘扎”，不易穿行。也有學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，在外力驅動下容易改變磁矩方向，實現“運動”。

精準操控讓其“乖巧聽話”太難

斯格明子在基礎科學、存儲應用領域都展示出了誘人的潛力，但真正在現實生活中得到應用并建設成為一個相對完善的學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生和湮滅行為，并實現低能耗、快速響應的精準操控。

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性制備也不是件容易的事情，更何況目前發現的斯格明子尺寸、特性不一，其載體材料還沒有找到較為通用的規律。另一方面，現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及特性還有待進一步挖掘。有學者指出，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，也可能會產生新的結構。美國新罕布什爾大學物理系凝聚態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構，它們的形成和動力學能夠作為未來三維自旋電子學和類腦器件的鋪墊。

“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領域學者攜手共進，探索未知、創造未知。(記者 于紫月)

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