在许多现代技术应用中，例如磁共振成像中使用的超导线，工程师希望尽可能消除电阻及其产生的热量。然而，在固态计算机存储器等自旋电子应用中，电阻产生的热量低已被证明是金属薄膜的理想特性。同样，尽管缺陷在材料科学中通常不受欢迎，但它们可以用来控制称为斯格明子的磁性准粒子的产生。在本月发表的另一篇论文《自然纳米技术与高级材料》 中，麻省理工学院教授Jeffrey S.D. Beach 和来自加利福尼亚、德国、瑞士和韩国的同事写道：

博科园-科普：在室温下，在特制层状材料中可以生成稳定且快速移动的拓扑——个斯格明子态，创下尺寸和速度的世界纪录，每篇论文均登上期刊封面！在发表于《高级材料》（先进材料）的这项研究中，研究人员创建了一种总共15 层的金属合金线，由重金属铂、磁性材料钴铁硼和氧化镁组成。在这些层状材料中，铂金属层和钴铁硼环境之间的界面是通过施加垂直于膜的外部磁场和沿导线长度传播的电流脉冲来创建的。

麻省理工学院材料科学与工程教授Jeffrey Beach 及其加州、德国、瑞士和韩国同事的研究成果出现在《自然纳米技术与先进材料》 的封面上。图片：天然、先进的材料

拓扑结构—— 可以形成斯格明子态。值得注意的是，在20 毫安特斯拉（磁场强度的衡量标准）的磁场下，导线在室温下形成空介子。 Beach 表示，在温度高于349 开尔文（168 华氏度）时，在没有外部磁场的情况下，材料的加热会形成拓扑—— 斯格明子态，并且当材料冷却到室温时，斯格明子态保持稳定。此前仅在低温和强磁场下观察到这样的结果。

可预测的结构

Advanced Materials 该论文的主要作者、麻省理工学院材料科学与工程专业的研究生Ivan Lemesh 开发了许多理论工具（合著者包括资深作者Beach 和其他17 人），我们不仅可以预测。斯格明子态的内部结构、结构和尺寸，但我们也可以进行逆向工程问题。例如，如果您想要这种大小的斯格明子状态，您可以生成多个层或材料和参数来创建该斯格明子状态。电子的基本属性是它的自旋，自旋可以是向上的，也可以是向下的。

斯格明子态是一个圆形电子簇，其自旋方向与周围电子相反，并且斯格明子保持顺时针或逆时针方向。 Lemesh 于2018 年11 月30 日在波士顿举行的材料研究协会秋季会议上介绍了他的研究，并表示： “然而，我们还发现磁性多层中的斯格明子态形成复杂的、与厚度相关的扭转特性。这些发现是对《物理评论B》 的另一项理论研究的基础。研究表明，虽然这种扭转结构对能够计算斯格明子态的平均大小，它对其电流感应行为有很大影响。

在发表于

基本极限

《自然纳米技术》 的论文中，研究人员研究了另一种磁性材料，其中铂上覆盖有钆钴合金和氧化钽的磁性层。在这种材料中，研究人员表明他们可以创建10 纳米大小的斯格明子态，并证实它们可以在材料中快速移动。 “我们在这篇论文中发现，铁磁体对其准粒子的大小以及电流驱动的速度有根本的限制，”材料科学与工程系的研究生卢卡斯·卡雷塔(Lucas Carretta) 说。在钴、铁和硼等铁磁材料中，相邻自旋平行排列，产生强方向性磁矩。为了克服铁磁体的基本局限性，研究人员转向钆钴。钆钴是一种铁磁材料，其中相邻自旋交替排列并相互抵消，导致总磁矩为零。

铁磁材料可以设计为具有零净磁化率以产生超小自旋纹理，或者调整为具有零净角动量以产生超快自旋纹理。 “这些特性可以通过材料的成分和温度来控制。2017 年，Beech 的团队及其合作者能够通过在磁性层中引入一种特殊类型的缺陷来控制特定位置的这些特性。我们通过实验证明，我们可以自由地控制特定位置的这些特性。通过使用各种局部技术（例如离子轰击）改变材料的特性并改变其磁性来创建准粒子的特性，尽管这些具有天然缺陷，但通过形状会在该位置产生斯格明子（skyrmion）状态。然后用新的自然纳米技术介子创造天空的电线转化为人造缺陷。

德国同步加速器中心的研究人员在室温下使用X 射线全息术对钴和钆混合物中斯格明子的状态进行成像。 Beach Labs 的博士后研究员Felix Buttner 是这种X 射线全息技术的开发者之一。这是唯一能让我们在如此高分辨率的图像中看到这种尺寸的斯格明子的技术。这些斯格明子态的尺寸只有10纳米，这是目前室温下斯格明子态的世界纪录。研究人员利用一种也可用于移动斯格明子态的机制，证明当前驱动的畴壁以每秒1.3公里的速度移动，创下了新的世界纪录。除了同步加速器研究之外，所有研究都是在麻省理工学院完成的，研究人员在那里“生长”、创造和表征材料。

磁建模

这些斯格明子态是这些材料中电子自旋的一种自旋构型，而畴壁是另一种自旋构型。畴壁是具有相反自旋方向的畴之间的边界。由于斯格明子态是材料的基本属性，其形成和动能的数学表达式包括圆的大小、自旋角动量、轨道角动量、电子电荷、磁场强度和强度包含一组复杂的方程，包括厚度等。一个特殊的物理术语，捕获相邻自旋和相邻层之间相互作用的能量，例如交换相互作用。其中一种相互作用称为Jarosinski-Moriya 相互作用(DMI)，它是由铂和磁性层中的电子相互作用产生的，对于斯格明子态的形成具有特别重要的作用。 “在迪亚洛辛斯基-塞尼亚相互作用中，自旋彼此垂直排列，从而稳定了空介子，”雷梅什说。

DMI 相互作用赋予这些斯格明子态拓扑结构，产生有吸引力的物理现象，稳定它们，并允许它们通过电流移动。 “铂本身提供了所谓的自旋电流，它驱动自旋结构的运动。自旋电流对附近的铁或铁磁体的磁化施加扭矩。最终这个扭矩”卡塔说。 Motion 基本上使用简单的材料来实现界面上的复杂现象。在这两篇论文中，研究人员结合了微磁和原子自旋计算，以确定形成斯格明子态并移动它所需的能量。我们发现，通过改变磁性层的比例，我们可以改变整个系统的平均磁性能。因此，不再需要使用不同的材料来创造其他属性。磁性层可以用不同厚度的间隔层稀释以获得不同的磁性，为制造系统提供无限的机会。

精确控制

在谈到《先进材料》论文时，新罕布什尔大学物理学助理教授Jiadong Zang 表示：精确控制磁性斯格明子态的产生是该领域的中心问题。这项研究提出了一种通过电流脉冲产生零场斯格明子态的新方法。这绝对是朝着纳秒级斯格明子态操纵迈出的坚实一步。英国利兹大学凝聚态物理学教授克里斯托弗·马罗斯对《自然纳米技术报告》的评论：虽然斯格明子非常小，但它们可以在室温下保持稳定，这一点非常重要。马罗斯说：“新结果代表了最高质量的研究。”他指出，比奇的研究小组在今年早些时候的一份科学报告中预测了室温空介子。

Lucas Carretta（左）和Ivan Remesh，材料科学与工程教授Jeffrey Beach实验室的研究生，去年12月发表的论文均经过同行评审。他们的工作为基于准粒子斯格明子的自旋电子器件开辟了新的方向。图片来源：Denis Paiste/材料研究所

但他们做出预测，而现实生活并不总是按照理论预测的方式发展。因此，他们必须对这一突破承担全部责任。 Zang在评论论文《自然纳米技术》时表示：斯格明子态研究的瓶颈达到尺寸小于20纳米（与最先进的存储单元的尺寸相当）和超过1公里。 其次，速度驱动运动。这项开创性的工作解决了这两个挑战。关键的创新是使用铁磁体而不是常用的铁磁体来承载斯格明子态，这可以说是斯格明子领域中第一个基于斯格明子的启发了存储器和逻辑器件的设计。散文。

赛道系统

这些基于斯格明子的固态设备有一天可能会取代现有的磁存储硬盘。比奇在华盛顿大学的一次演讲中说：磁性斯格明子态的流动可以充当计算机应用中的比特。这些材料可以轻松地形成磁迹图案。这些新发现可以应用于IBM 的斯图尔特·帕金(Stuart Parkin) 开发的赛道存储设备。设计用于卡车设备的这些材料的关键之一是设计可以形成斯格明子的材料，因为斯格明子状态在材料中存在缺陷的地方形成。理工学院材料研究实验室（MRL）联席主任比奇说：“这可以通过在系统中放置一个间隙来实现，这样注入到材料中的电流脉冲就会产生斯格明子态。”相同的电流脉冲可用于写入和删除，并且这些斯格明子状态形成得非常快，不到十亿分之一秒。

在设备可用于任何实际操作逻辑或内存磁道之前，必须先写入一个位。这就是我们在创建磁性准粒子时讨论的内容。位必须写得很小，并且位必须通过。材料转换得非常快。利兹大学的默罗斯教授补充道： “基于Skillimi 的自旋电子学应用将受益，但现在确定其在存储器、逻辑器件、振荡器和神经形态器件等各种应用中的应用“现在说还为时过早。”剩下的一项挑战是如何最好地读取斯格明子位。 Beach团队在这一领域的研究仍在继续，现在的挑战是找到以电学方式检测这些空介子的方法，以便将它们用于计算机和手机。卡塔说道。 “是的，所以你不必把手机带到同步加速器那里阅读一点内容。事实上，我认为在该领域的大多数领域，海军上将们都开始关注这些类型的材料，因为.因为他们的期望很高！”

博科园-科普| Dennis Paiste，麻省理工学院

研究/来源：麻省理工学院

参考期刊文献《Advanced Materials》、《Nature Nanotechnology》、《物理评论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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