導讀
美國麻省理工學院科研人員與德國、瑞士、韓國的同事們在特制的分層材料中，生成了在室溫條件下穩定並且快速移動的斯格明子，創造了尺寸與速度的世界記錄。這項研究有望帶來高密度、高速度、低能耗的新一代自旋電子存儲器件。
背景
在許多的現代技術應用中，工程師們想要盡可能地消除電阻以及隨之産生的熱量，例如磁共振成像所用的“超導線”。然而，事實證明，在自旋電子學應用中，例如計算機固態存儲器等所采用的金屬薄膜中，由電阻産生的少許熱量，卻是一種“可取”的特性。
有異曲同工之妙的是，材料科學中的“缺陷”通常是“不可取”的，但是它們卻可以用于控制生成被稱爲“斯格明子（skyrmion） ”的磁性准粒子。
什麽是“斯格明子”？
斯格明子，由英國物理學家托尼·斯格明（Tony Hilton Royle Skyrme）于1962年首次發現，由他的名字而命名。簡單說，斯格明子是一種具有准粒子特性並且受拓撲保護的自旋結構。
（圖片來源：參考資料【2】）
斯格明子的尺寸可以小到納米級，有著受拓撲保護的穩定性。同時，驅動斯格明子狀態改變的電流密度，比驅動傳統磁疇所需的低5到6個量級。由于這些卓越的特性，斯格明子被普遍認爲是高密度、高速度、低能耗的新一代磁存儲器件的理想信息存儲單元之一。
舉個例子，2017年4月，筆者曾介紹過新加坡國立大學的科研人員發明了一種新型超薄多層膜，能有效利用斯格明子存儲信息。他們發現，由钴和钯組成的多層薄膜中，可以維持一種強大的相互作用，足以穩定斯格明子的自旋結構。它就是“Dzyaloshinskii-Moriya（DM）”相互作用，是指不同材料之間的一種界面對稱破缺的相互作用。
創新
今天，筆者要介紹的是美國麻省理工學院教授 Geoffrey S.D. Beach 小組的研究人員與來自美國加州、德國、瑞士、韓國的同事們研究斯格明子所取得的非常關鍵的突破性進展。
他們在《自然納米技術（Nature Nanotechnology）》和《先進材料（Advanced Materials）》期刊上發表的兩篇獨立的論文中報告稱，他們在特殊研制的分層材料中，生成了在室溫條件下穩定並且快速移動的斯格明子，創造了尺寸與速度的世界記錄。每一篇論文都登上了各自的期刊封面。
（圖片來源：麻省理工學院）
技術
在《先進材料》期刊上發表的研究【3】中，研究人員們創造出由鉑（一種重金屬）、钴鐵硼（一種磁性材料）以及氧化鎂組成的特制金屬合金反複堆疊15層所形成的一根線。在這些分層材料中，鉑金屬層與钴鐵硼之間的界面創造出一種環境。在這種環境中，斯格明子可以通過施加“垂直于薄膜的外部磁場”以及“沿著線長度傳輸的電流脈沖”來形成。
尤其是，這根線在20毫特斯拉（特斯拉是一種表述磁感應強度的國際通用單位）的磁場中，形成了室溫條件下的斯格明子。在高于349K（約76℃）的溫度中，斯格明子在沒有外部磁場的條件下生成了，而這種效應是由于材料加熱而産生的。在材料冷卻至室溫之後，斯格明子仍然可以保持穩定。Beach 表示，之前只有在低溫以及施加強大磁場的情況下，研究人員們才能看到這種成果。
發表于《先進材料》期刊上的論文的第一作者、麻省理工學院材料科學與工程系研究生 Ivan Lemesh 表示：“在開發一些理論工具之後，現在我們不僅可以預測內部的斯格明子的尺寸與結構，而且可以采用逆向工程的方法研究問題。比方說，我們想要某個尺寸的斯格明子，那麽我們就可以生成特定尺寸斯格明子所需的多層結構、材料、參數。” 這篇論文的合著者包括高級作者 Beach 以及其他17人。
自旋是電子的基本特性，可以被理解爲一種角動量，要麽“向上”，要麽“向下”。斯格明子是一種圓形的電子“簇”，這些電子的自旋方向與周圍的電子相反，而斯格明子保持著順時針或者逆時針的方向。
去年11月30日，在波士頓召開的材料研究學會（MRS）秋季會議上所作的報告中，Lemesh 表示：“然而，最重要的是，我們也發現了位于磁性多層結構中的斯格明子形成了一種複雜的‘全厚度依賴’的扭曲特性。”去年9月，這些成果在《物理評論B》期刊上一篇獨立的理論研究論文【4】中發表。
目前的研究表明，雖然這種扭曲的斯格明子結構對于斯格明子平均尺寸的計算産生的影響較小，但是卻顯著地影響其電流感應行爲。
在發表于《自然納米技術》期刊上的論文中【5】，研究人員們研究了一種不同的磁性材料，用“钆钴合金磁性層”和“氧化钽”對于“鉑”進行分層。在這種材料中，研究人員展示了他們能生成尺寸小到10納米的斯格明子，並確認它們可以在材料中高速運動。
這篇論文的第一作者、材料科學與工程系研究生 Lucas Caretta 表示：“我們在這篇論文中發現的是，鐵磁體從根本上限制了你可以創造的准粒子的尺寸以及采用電流能將這些准粒子驅動得多快。”
在鐵磁體中，例如钴鐵硼，鄰近的自旋相互平行對齊，並形成一種強大的定向磁矩。爲了突破鐵磁體的根本限制，研究人員轉向了钆钴合金，它是一種亞鐵磁體，其中鄰近的自旋的指向上下交替，因此它們可以相互抵消，從而帶來總體的零磁矩。
Caretta 表示：“我們可以設計亞鐵磁體，使得淨磁場爲零，帶來超小的自旋紋理；或者，調整它以使淨角動量爲零，帶來超高速的自旋紋理。這些特性可以通過材料的組成或者溫度來設計。”
2017年，Beach 小組的研究人員及其合作夥伴們通過實驗證明，他們能夠在磁性層中引入一種特殊的缺陷，從而在特定位置隨意創造出這些准粒子。
Lemesh 表示：“你可以采用不同的局部技術改變材料的特性，例如離子轟擊，通過這麽做來改變它的磁性。如果你將電流注入到線中，斯格明子將在那個位置産生。”
Caretta 補充道：“最初發現的是材料中的自然缺陷，然後它們成爲了貫穿整條線的人造缺陷。”
在《自然納米技術》期刊上的新論文中，他們采用這種技術創造出了斯格明子。
在德國的同步加速器中心，研究人員采用X射線全息攝影術（X-ray holography），在室溫條件下，拍攝到了钴钆混合物中的斯格明子圖像。Beach 實驗室的博士後 Felix Büttner 是這種X射線全息攝影術開發者之一。Caretta 表示：“它是能夠拍攝到如此高分辨率圖像的僅有的幾項技術之一。從圖像中，你可以分辨出這個斯格明子的尺寸。”
這些斯格明子的尺寸只有10納米那麽小，是目前室溫下的斯格明子的世界記錄。研究人員們演示了電流驅動的疇壁運動速度達1.3千米/秒，其中所采用的機制也適用于斯格明子運動，這又創造了一項新的世界記錄。
除了同步加速器的工作，所有的研究都在麻省理工學院完成。Caretta 表示：“我們在麻省理工學院，生長這種材料，進行制造，並描述這種材料的特性。”
在這些材料中，斯格明子是一種電子自旋組態，而疇壁是另外一種。疇壁，是自旋方向相反的“疇”之間的分界面。在自旋電子學中，這些組態被稱爲“孤子（solitons）”或者“自旋紋理”。因爲斯格明子是材料的一種基本屬性，對其形成與運動的能量的“數學描述”包括一系列複雜的方程，這些方程中含有它們的圓形尺寸、自旋角動量、軌道角動量、電荷、磁場強度、層的厚度以及幾個特殊的物理術語，這些術語用于描述相鄰自旋和相鄰層之間相互作用的能量，例如交換作用。
其中一種相互作用就是DM相互作用，對于形成斯格明子具有特殊的意義。它來源于鉑層與磁層中電子的相互作用。Lemesh 表示，在DM相互作用中，自旋相互垂直對齊，使得斯格明子變穩定。DM相互作用讓這些斯格明子受到拓撲保護，從而産生了“美妙”的物理現象，使之變穩定，也能在電流中運動。
Caretta 表示：“鉑本身提供了一種所謂的‘自旋電流’，它驅動了自旋紋理運動。自旋電流，爲與之鄰近的鐵磁體或者亞鐵磁體的磁化強度提供了一個轉矩，這個轉矩最終引起了自旋紋理運動。基本上，我們采用了簡單的材料在界面上實現了複雜的現象。”
在兩篇論文中，研究人員“混合地”進行了微磁與原子自旋計算，從而判斷形成斯格明子以及移動它們所需的能量。
Lemesh 表示：“事實表明，通過改變磁性層的一部分，你就能改變整個系統的平均磁特性，所以現在我們無需采用不同的材料來生成其他特性。你可以通過不同厚度的分隔層稀釋磁性層，就可以得到不同的磁特性，它爲打造你的系統提供了無限多的機會。”
Lucas Caretta (左) 和 Ivan Lemesh（圖片來源：Denis Paiste/
價值
新罕布什爾大學物理系助理教授 Jiadong Zang，雖然沒有參與這項研究，但是對《先進材料》期刊上的論文作出了評論。他說：“精准地控制生成磁性斯格明子是這一領域的中心主題。這項工作展現了一種生成零場斯格明子的新方法。這無疑是朝著納秒級的斯格明子操作邁出的堅實的一步。”
英國利茲大學凝聚態物理教授 Christopher Marrows 對《自然納米技術》上發表的論文評論道：“斯格明子變得如此小，而且可以在室溫下變得穩定，這一事實具有十分重大的意義。”
Marrows 沒有參與這項研究，但是注意到了 Beach 小組今年早些時候在《科學報告（Scientific Reports）》期刊上發表的論文【6】中預測了室溫條件下的斯格明子，認爲這些新成果具有極高的質量。Marrows 表示：“雖然真實生活並不總是符合理論期望，但是他們還是進行了預測。所以他們配得這項突破的所有殊榮。”
Zang 教授對于《自然納米技術》上發表的論文補充評論道：“斯格明子研究的一個瓶頸在于，達到20納米（最先進的存儲單元的尺寸）以下的尺寸，並以超高1千米/秒的速度驅使其運動。在這項影響深遠的研究中，這兩項挑戰都得到了解決。”
Zang 教授表示：“創新的關鍵在于，采用亞鐵磁體取代普遍采用的鐵磁體來容納斯格明子。這項工作極大地激發了基于斯格明子的存儲器件以及邏輯器件的研究熱情。它無疑是斯格明子領域的一篇明星級的論文。”
未來
未來，基于這些斯格明子構造的固態器件有望取代現有的磁存儲硬盤驅動器。磁性斯格明子“流”可以作爲計算機應用中的“比特”。在MRS的報告中，Beach 說道：“在這些材料中，我們能輕而易舉地設計出磁道。”
這些新發現可以用于“賽道存儲器”，這種存儲器由IBM公司的 Stuart Parkin 開發。將這些材料應用于賽道存儲器的關鍵在于，將缺陷審慎地設計到材料中，而斯格明子正是在這些材料的缺陷處形成的。
麻省理工學院材料研究實驗室（MRL）的共同主任 Beach 表示：“我們可通過在這種系統上加上‘槽口’來設計。”電流脈沖注入到材料中，在槽口處形成斯格明子。他說：“同樣的電流脈沖可用于寫入和擦除。”Beach 說，這些斯格明子形成得極快，不到十億分之一秒。
Caretta 表示：“爲了制造出一種實用的邏輯運算器件或者賽道存儲器件，你必須寫入比特信息，也就是我們討論的創造磁性准粒子，而且你還必須以極快的速率‘翻譯’通過材料的‘比特’。”
利茲大學的教授 Marrows 補充道：“基于斯格明子的自旋電子學的應用將從這項研究中受益，雖然在包括存儲器件、邏輯器件、振蕩器、神經形態器件的各種提案中，說出哪一種將是最終獲勝者，還是稍微早了一點。”
剩下的挑戰之一就是讀出這些斯格明子比特的最佳方法。Lemesh 表示，Beach 小組將繼續在這一領域的工作，探索出一種通過電氣方式檢測這些斯格明子的方法，從而應對目前的挑戰，使之可以在計算機和手機中得到應用。
Caretta 表示：“是的，這樣你就不需要將手機帶到同步加速器來讀出一個比特。根據亞鐵磁體和反鐵磁體的相關研究成果來看，我認爲該領域的大多數研究實際上將開始轉向這些材料，因爲它們極具前景。”
關鍵字
斯格明子、自旋電子學、存儲技術
參考資料
【1】http://news.mit.edu/2019/mit-materials-science-engineering-skyrmion-research-0103
【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】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805461
【4】https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.104402
【5】https://www.nature.com/articles/s41565-018-0255-3
【6】https://www.nature.com/articles/s41598-018-22242-8