磁性材料中的斯格明子与反斯格明子
你能想象常用的笔记本电脑硬盘可以缩成米粒大小吗?一种磁性领域的神秘准粒子结构——斯格明子(skyrmion)可以让这个看似不可思议的想法成为现实，而且这颗“米粒”存储空间更大、数据传输速率更快。近日，中国科学院强磁场科学中心研究员陆轻铀及其合作团队采用自主研制的强磁场磁力显微镜，在约3纳米厚的钌酸锶(SrRuO3)氧化物薄膜中直接观测到了斯格明子。该成果发表在《自然·材料》期刊上，为进一步探索该磁结构的存在规律和人为操控提供了参考。
一种纳米尺度的新型磁结构
“之所以将斯格明子称为‘准粒子’，是因为斯格明子是由一小群磁矩(原子尺度的小磁针)以相邻磁矩间具有特定小夹角(不是传统的平行或反平行)的方式组成的磁矩集体。在外电流等驱动作用下，它是一个能够像真实粒子一样运动的行动集体。”陆轻铀在接受科技日报记者采访时表示。
“在这个集体中，相邻磁矩的夹角分布开去，最终形成对这个磁矩集体的一种保护，使其能够稳定存在，协同移动。”陆轻铀指出，斯格明子是一种纳米尺度上的新型磁结构。
早在1962年，英国物理学家托尼·斯格明就通过理论推演和计算预言了这种准粒子的存在，但直到20年后，即1982年，这一粒子才被科学界关注并命名为斯格明子。2009年，德国慕尼黑工业大学的物理学家缪保尔等在一次偶然的情况下，采用小角度中子散射方法首次在硅化锰单晶体中观测到了斯格明子;很快，日本东京大学研究人员采用洛伦兹透射电子显微镜在铁钴硅氧化物薄层中“看”到了斯格明子，从此学界开启了对斯格明子的研究热潮。
经过近十年如火如荼的研究和发展，人们在手性磁体、磁性薄膜等多种材料中均发现了斯格明子的存在。更加有趣的是，上述材料属于不同体系，具有不同的物理特性，其产生的斯格明子也在尺寸、稳定性、动力学性质等方面不尽相同。据文献资料，手性磁体中的斯格明子尺寸在10—100纳米。手性磁体往往需要通过人为施加外部磁场才能获得稳定的斯格明子，极大地限制了其在实际应用中的价值。磁性薄膜中的斯格明子尺寸在100—1000纳米，可在室温下稳定存在，从这个角度来讲，其稳定性优于手性磁体中的斯格明子，但同样也有尺寸和制备工艺上的限制。
还有很多其他材料体系中也证实了斯格明子的存在，如氧化物薄膜。“由于氧化物本身不易被腐蚀或者发生其他化学反应，具有较好的稳定性，且可通过调控制备工艺参数人为精确地控制薄膜的面积、厚度、内应力等，因此，在氧化物薄膜中观测到斯格明子，意味着该领域的研究从基础理论向实际应用又推进了一步。”陆轻铀表示。
下一代存储的“天命之选”
斯格明子究竟有何“魅力”，能够让全球众多科学家为之着迷并付出诸多努力?“现阶段，斯格明子展示了在信息技术领域中的巨大潜力，被认为是下一代信息存储设备的优越材料。”陆轻铀告诉记者。
随着信息化时代的发展，人们在享受海量信息和便捷服务的同时，也为信息存储带来了越来越大的挑战。“最初的磁存储设备基于磁畴。所谓磁畴，即磁性材料内部的微小区域，每个区域内包含若干原子，这些原子的磁矩方向一致，像一个个小磁铁一样整齐排列。不同磁矩方向的磁畴可分别对应二进制中的0和1，从而实现计算机语言中的数据存储。但是如果两个磁畴相距太近，便有可能相互干扰，使得两个磁畴“粘”在一起，不可分辨，破坏数据记录的准确性，也限制了存储密度。据悉，目前磁存储设备中的磁畴间距一般为25纳米，但斯格明子的出现可以使间距缩短至6纳米。
为何斯格明子之间近距离排列还能不受干扰?“这是由斯格明子本身的物理特性决定的。与磁畴不同，斯格明子内部磁矩方向不一致，整体呈现出漩涡状的自旋结构。因此两个斯明格子之间的相互作用力较小，可以实现近距离排布，从而能够大幅度提升存储密度。”陆轻铀告诉记者，如果能够利用斯格明子作为机器存储的基本单元，存储器件的密度至少可提升1—2个数量级。换个角度来讲，在保证存储容量不变的情况下，台式电脑硬盘可将体积缩小至花生米大小，笔记本电脑硬盘的体积可与米粒相当。
存储密度和容量的提升让斯格明子迅速“虏获”了科研人员的心，更何况，驱动斯格明子“运动”的电流密度可降低至传统磁畴的百万分之一，能够有效控制存储器件散发的热量并极大地提升计算速度。陆轻铀进一步解释，斯格明子的“运动”并非其内部原子的空间位置进行了整体移动，而是原子磁矩的排布方式整体发生了传播，类似于体育看台上“人浪”的传播式移动，从而在整体效果看来，斯格明子发生了移动。学界认为，斯格明子结构稳定，在运动过程中遇到晶体缺陷或自旋缺陷时能够“视而不见”、轻易穿越，而磁畴运动时则易受晶体内部缺陷的“钉扎”，不易穿行。也有学者从能量角度试图解释其机理，认为斯格明子处于较高能态，在外力驱动下容易改变磁矩方向，实现“运动”。
精准操控让其“乖巧听话”太难
斯格明子在基础科学、存储应用领域都展示出了诱人的潜力，但真正在现实生活中得到应用并建设成为一个相对完善的学科还有很长的路要走。
在陆轻铀看来，单个斯格明子的精准控制是亟待解决的问题之一。斯格明子的存在与否可以分别对应二进制信息存储中的0和1，这就给研究者指出了前进的方向——如何有效控制斯格明子产生和湮灭行为，并实现低能耗、快速响应的精准操控。
在微观层面，让斯格明子变得“乖巧听话”很难;在宏观世界里，斯格明子材料的高度重复性制备也不是件容易的事情，更何况目前发现的斯格明子尺寸、特性不一，其载体材料还没有找到较为通用的规律。另一方面，现阶段大部分研究还只停留在薄膜或准二维体系的材料中，三维材料中的斯格明子形态及特性还有待进一步挖掘。有学者指出，斯格明子沿着磁场方向并非简单堆叠，靠近表面处可能形成扭曲，也可能会产生新的结构。美国新罕布什尔大学物理系凝聚态理论研究组教授臧佳栋曾撰文表示，初步研究表明, 斯格明子在三维中有更丰富的磁结构，它们的形成和动力学能够作为未来三维自旋电子学和类脑器件的铺垫。
“每一个新的思想或事物的诞生都不会一蹴而就，而是需要一个慢慢积淀的过程。”陆轻铀表示，自人类首次观测到斯格明子以来，不过短短十载。未来，还有更加广阔的空间等待着相关领域学者携手共进，探索未知、创造未知。(记者 于紫月)
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