介绍
美国麻省理工学院的研究人员以及来自德国、瑞士和韩国的研究人员在一种特殊制备的层状材料中在室温下创造了稳定、快速移动的斯格明子，创造了尺寸和速度的世界纪录。这项研究有望带来新一代高密度、高速、低能耗的自旋电子存储器件。
背景
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和相关热量。但事实证明，对于自旋电子应用中使用的金属薄膜（例如计算机中的固态存储器）来说，通过电阻产生较少的热量是一种“理想”的特性。
同样，材料科学中的“缺陷”通常是“不受欢迎的”，但可以用来控制称为“斯格明子”的磁性准粒子的产生。
什么是“斯格米恩”？
Skirmeon 于1962 年由英国物理学家Tony Hilton Royle Skirmeon 首次发现，并以他的名字命名。简而言之，斯格明子是具有准粒子特性的拓扑保护的自旋结构。
（图片来源：参考文献[2]）
斯格明子的尺寸为纳米级，具有拓扑保护的稳定性。同时，引起斯格明子态变化的电流密度比驱动传统磁畴所需的电流密度低5到6个数量级。由于这些优异的特性，斯格明子通常被认为是新一代高密度、高速度、低能耗磁存储器件的理想信息存储单元之一。
例如，2017年4月，作者介绍，新加坡国立大学的研究人员发明了一种新型超薄多层薄膜，可以有效利用斯格明子来存储信息。他们发现，在钴和钯的多层薄膜中，可以维持足够强的相互作用来稳定斯格明子自旋结构。它就是“Zialoshinsky-Moriya (DM)”相互作用，指的是打破不同材料之间界面对称性的相互作用。
创新
今天，笔者想介绍一下美国麻省理工学院Jeffrey S.D. Beach 教授团队和加州、德国、瑞士和韩国的同事在斯格明子研究中取得的一项非常重要的突破。
在分别发表在期刊《自然纳米技术（Nature Nanotechnology）》 和《先进材料（Advanced Materials）》 上的两篇论文中，研究人员表示，他们在专门开发的层状材料中在室温下创造了稳定、快速移动的斯格明子，创下了我正在报道的高速和尺寸的世界纪录。每篇论文都将发表在各自期刊的封面上。
（图片来源：麻省理工学院）
技术
在《先进材料》 杂志上发表的一项研究中[3]，研究人员创建了一种由铂（一种重金属）、钴铁硼（一种磁性材料）和氧化镁组成的特殊金属合金，然后将其分层成15 层。反复层压。线。在这些层状材料中，铂金属层和钴铁硼之间的界面创造了一个环境。在这种环境中，可以通过施加垂直于膜的外部磁场和沿导线长度发送的电流脉冲来形成斯格明子。
特别是，该金属丝在室温下20毫特斯拉（特斯拉是磁感应强度的国际单位）的磁场中形成了斯格明子。在高于349K（约76C）的温度下，无需外部磁场（加热材料的效果）即可形成斯格明子。即使材料冷却至室温后，斯格明子仍保持稳定。比奇表示，研究人员此前只能在低温和强磁场的应用下才能看到这种结果。
“在开发了一些理论工具之后，我们现在不仅能够预测内部斯格明子的尺寸和结构，还可以使用逆向工程技术来研究问题，如果你需要一个lumion，你可以生成所需的多层结构、材料、以及特定尺寸的斯格明子的参数。”合著者包括资深作者Beach 和其他17 人。
自旋是电子的基本属性，可以理解为一种“向上”或“向下”角动量。斯格明子是圆形电子“簇”，其自旋与周围电子相反，导致斯格明子保持顺时针或逆时针方向。
Remesh 在去年11 月30 日于波士顿举行的材料研究学会(MRS) 秋季会议上提交的一份报告中表示： “但最重要的是，我们还发现斯格明子是在磁性多层结构内形成的。”它发表在一篇理论研究论文中[4]。
这项研究表明，这种扭曲的斯格明子结构对斯格明子平均尺寸的计算影响很小，但对电流感应行为影响很大。
在期刊《先进材料》 [5] 上发表的一篇论文中，研究人员研究了一种不同的磁性材料：铂，层压有钆钴合金磁性层和氧化钽。在这种材料中，研究人员表明他们可以产生小至10 纳米的斯格明子，并证实它们可以高速穿过该材料。
“我们在这篇论文中发现，铁磁材料从根本上限制了可以产生的准粒子的尺寸以及使用电流转换这些准粒子的能力，”材料科学与工程系的研究生兼负责人卢卡斯·卡雷塔（Lucas Carretta）说。作者。准粒子的运动速度有多快？ ”
在钴、铁和硼等铁磁材料中，相邻的自旋彼此平行排列，产生强方向磁矩。为了克服铁磁体的基本局限性，研究人员转向钆钴合金。这是一种亚铁磁材料，其中相邻的自旋交替向上和向下并相互抵消，导致总磁矩为零。
“我们可以设计亚铁磁体，使净磁场为零，以实现超小自旋纹理，或者我们可以调整亚铁磁体，使净角动量为零，以实现超快自旋纹理。``这些属性可以通过以下方式设计：改变材料的成分和温度，”卡雷塔说。
2017年，Beach小组和他的合作者通过实验证明，通过在磁性层中引入特殊缺陷，可以在特定位置自由地产生这些准粒子。
“我们可以使用各种局部技术，例如离子轰击，来改变材料的特性，从而改变其磁性。当我们将电流注入电线时，斯格明子就会在该位置产生。”雷梅什说道。 ”
卡雷塔补充道：“你首先发现的是材料中的天然缺陷，但随后它们就变成了整个生产线中的人为缺陷。”
发表在《物理评论B》 杂志上的一篇新论文使用了这种技术来创建斯格明子。
在德国同步加速器中心，研究人员使用X 射线全息术在室温下捕获钴和钆混合物中的斯格明子图像。 Beech 实验室的博士后研究员Felix Buettner 是这种X 射线全息术的开发者之一。卡雷塔说：“这是唯一能让我们拍摄如此高分辨率图像的技术之一，这些图像向我们展示了斯格明子的大小。”
这些斯格明子的尺寸只有10纳米，这是目前室温下斯格明子的世界纪录。研究人员展示了电流驱动的畴壁运动速度为每秒1.3公里，所使用的机制也可以应用于斯格明子运动，创下了新的世界纪录。
除同步加速器研究外，所有研究都将在麻省理工学院进行。卡雷塔说：“我们正在麻省理工学院种植、制造这种材料，并表征其特性。”
在这些材料中，斯格明子是一种电子自旋构型，而畴壁是另一种电子自旋构型。畴壁是具有相反自旋方向的“畴”之间的界面。在自旋电子学中，这些配置称为“孤子”或“自旋纹理”。斯格明子是物质的基本属性，因此对其形成和运动所涉及的能量的“数学描述”包括它们的圆形尺寸、自旋角动量、轨道角动量、电荷和磁场强度，其中包含一系列复杂的方程。描述、层厚度以及一些特殊物理术语，用于描述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。
其中一种相互作用是DM 相互作用，它对于斯格明子的形成特别重要。这是由于铂层和磁性层内电子的相互作用造成的。 Lemesh 说，在DM 相互作用中，自旋彼此垂直排列，使得斯格明子稳定。 DM 相互作用从拓扑上保护这些斯格明子，从而产生“奇妙”的物理现象，使斯格明子能够在流动中稳定移动。
“铂本身提供了一种所谓的‘自旋电流’，可驱动自旋纹理运动。自旋电流对邻近的铁磁或亚铁磁材料的磁化施加扭矩。我们使用基本上简单的材料在界面处实现复杂的现象。 ”
在两篇论文中，研究人员进行了微磁和原子自旋计算的“混合”计算，以确定斯格明子形成和迁移所需的能量。
“我们发现，通过改变磁性层的某些部分，我们可以改变整个系统的平均磁性，因此我们不再需要使用不同的材料来产生其他特性。”通过将磁性层组成不同厚度的单独层，可以获得不同的磁性，为构建系统带来无限的可能性。 ”
Lucas Carretta（左）和Ivan Remesh（照片：Denis Paiste/
价值
新罕布什尔大学物理系助理教授Jiadong Zang并未参与这项研究，但在《自然纳米技术》杂志上对该论文发表了评论。 “精确控制磁性斯格明子的产生是该领域的中心主题，”他说，“这项工作展示了一种产生零场斯格明子的新方法。这是迈向规模化斯格明子操作的明确一步。”
英国利兹大学凝聚态物理学教授克里斯托弗·马洛斯(Christopher Mallows)对发表在《自然纳米技术》号的论文评论道：“斯格明子可以如此之小，以至于它们可以在室温下保持稳定，这一事实非常重要。”
Mallows 没有参与这项研究，但指出Beach 的小组在今年早些时候发表在《先进材料》 杂志上的一篇论文中预测了室温下的斯格明子[6]，而且这些新结果我们认为是非常高质量的。马洛斯说：“尽管现实生活并不总是与理论预测相符，但他们还是做出了预测，因此这一突破值得所有赞誉。”
Zang教授对发表于《自然纳米技术》的论文发表了补充评论：“斯格明子研究的瓶颈之一是达到20纳米以下的尺寸（最先进的存储单元的尺寸）。速度正在推动这一运动，这项广泛的研究解决了这两个挑战。 ”
臧教授表示：“这项创新的关键在于采用亚铁磁体代替了常用的容纳斯格明子的铁磁体，极大地激发了人们对逻辑器件的研究热情，绝对是该领域的明星级论文。”斯格明恩的。 ”
未来
未来，基于这些斯格明子结构的固态设备有望取代现有的磁存储硬盘。磁性斯格明子“流”可以充当计算机应用中的“位”。 Beech 在MRS 报告中表示：“使用这些材料可以轻松设计磁轨。”
这些新发现可用于“跑道存储器”，这是IBM 的Stuart Parkin 开发的一种存储器。使用这些材料进行赛道记忆的关键是将缺陷仔细地纳入形成斯格明子的材料中。
麻省理工学院材料实验室（MRL）联合主任比奇说：“你可以通过在系统中添加一个‘缺口’来实现这一点。”在该实验室中，将电流脉冲注入到材料中，缺口会填充一个空网格。形成图案。比奇说：“你可以使用相同的电流脉冲进行写入和擦除。”他指出，这些斯格明子的形成速度非常快，不到十亿分之一秒。
“要创建实用的逻辑算术设备或跑道存储设备，您需要将信息写入其中。这就是我们所说的创建磁性准粒子，“它是材料的‘位’，必须是‘转化得很快，”卡雷塔说。
利兹大学的马洛斯教授补充道：“基于斯格明子的自旋电子学的应用将受益于这项研究，尽管有多种建议，包括存储器件、逻辑器件、振荡器和神经形态器件。”其中之一将成为最终的胜利者。 ”
剩下的一项挑战是读出这些斯格明子位的最佳方法。 Remesh表示，Beech小组将继续在这一领域进行研究，并将开发以电学方式检测这些斯格明子的方法，解决目前将它们用于计算机和手机的挑战。
“是的，所以你不必把智能手机带到同步加速器上来阅读一些内容，”卡雷塔说，我认为他们中的大多数人实际上都会开始研究这些材料，因为它们非常有前途。”
关键词
斯格明子、自旋电子学、存储技术
参考
[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年3月10日)通过洛伦兹传输稳定钴/钯多层膜的观察奈尔·斯格明子。电子显微镜观察。
[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
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