基于斯格明子的纳米薄膜：未来数据存储的新希望！

导读

数字化时代到来，大量数据信息使得我们需要更加快速、有效、节能的处理和存储数据，提高存储技术。新加坡国立大学的科研人员最近发明了一种新型超薄多层膜，能够有效利用一种手型自旋结构单元：「斯格明子」进行信息的存储，它被广泛研究认为是下一代数据存储和逻辑设备的主要信息载体。

图解：杨（音译）副教授（左）和 Shawn Pollard博士（右），来自新加坡国立大学工学院电气和计算机工程系，是开发这种新型超薄多层膜的研究团队的核心成员，这种薄膜可以利用“斯格明子”的特性作为信息媒介物，用于存储和处理位于磁媒体上的数据。

（图片来源于：Siew Shawn Yohanes / 新加坡国立大学）

背景知识

「斯格明子」（skyrmion），由英国物理学家（Tony Hilton Royle Skyrme）于1962年首次发现，因此也由他的名字而命名。

斯格明子具有准粒子特性的拓扑自旋构形，电荷以漩涡状稳定排列，电荷虽然可以被重新移动组合，但是这种结构不会改变。

在斯格明粒子内部，旋转电子指向不同的方向，从而在彼此接近时，很难彼此粘在一起，这样的结构有利于存储设备的微型化。

另外，优于它具有稳定的拓扑结构，这种特殊的自旋排列，导致驱动斯格明子状态改变的电流密度，要比驱动传统磁畴低5-6个量级。

两种类型的斯格明子结构：构型(a)刺猬斯格明子 (hedgehog skyrmion) 和构型(b)螺旋斯格明子（spiral skyrmio）。

（图片来源于：维基百科）

目前，磁性斯格明子材料的研究主要集中具有「Dzyaloshinskii-moriya 相互作用」（DMI）的手性晶体（如MnSi、FeCoSi、FeGe、MnGe等），以及多铁材料（Cu₂OSeO₃、MnZn铁氧体材料）。

DMI（DM相互作用），是指磁性材料中另外一种不对称的交换作用。DMI，可以帮助稳定斯格明子。

这些具有磁性斯格明子结构的材料，有望成为构建未来高密度、高速度、低能耗磁信息存储器件的理想候选材料。

关键瓶颈

然而，没有平面外的磁场存在，斯格明子的稳定性会受到影响而退化，另外由于它的尺寸十分微小，所以影像这种纳米材料会变得十分困难。

创新探索

为了解决上述问题，新加坡国立大学（NUS）电气和计算机工程系的副教授 Yang Hyunsoo、以及Shawn Pollard 博士、Yu Jiawei 女士组成的团队，致力于在室温条件下，创建一种稳定的斯格明子，无需偏置磁场。

他们发现了由「钴和钯」组成的多层薄膜中，可以维持一种强大的DM相互作用，足以稳定斯格明子的自旋结构。

另外，为了对于这些薄膜微小的磁结构进行影像，NUS的研究人员和美国的布鲁克黑文国家实验室进行合作，使用了洛伦兹透射电子显微镜（L-TEM）。L-TEM能够影像小于10纳米的磁结构，但是它之前并没有应用于观察多层几何结构中的斯格明子，因为之前认为它将会变得无信号。然而，当进行实验时，研究人员发现通过相对于电子束倾斜薄膜，他们能够获取清楚的对比图像，和预期的斯格明子一致，尺寸小于100纳米。

（图片来源于：参考资料【2】）

创新价值

这种纳米级的薄膜由新加坡国立大学、布鲁克黑文国家实验室 、纽约州立大学石溪分校、路易斯安那州立大学一起合作开发，它意味着科研人员朝着设计比现有存储技术更加低功耗、高速率的数据存储设备的目标，又迈出了至关重要的一步。

Pollard 博士说：

“很长时间以来，我们一直认为在对称结构中没有DMI，就像我们之前的一项研究中所说。但是，我们真没有料到，在我们制造的多层薄膜中发现了大量的DMI和斯格明子。更进一步说，这些纳米级的斯格明子，甚至在外部偏置磁场消失后仍然维持，这是它们同类中的首次。”

杨副教授补充道：

“这个实验不仅展示了L-TEM在我们研究这些系统时的作用，而且提供了一种可以在其中创建斯格明子的全新材料。因为无需偏场，这种基于斯格明子的器件的设计和实现被大大地简化了。这种小型的斯格明子，与这里产生的让人难以置信的可能性相结合，未来可以用于设计下一代自旋电子元器件，这些器件是能源友好的，并且可以超越现有的存储技术。”

未来展望

杨副教授和他的团队目前正致力于研究纳米级的斯格明子相互之间以及和电流之间如何交互，以进一步开发基于斯格明子的电子设备。

参考资料

【1】http://news./press-releases/ultra-thin-multilayer-film

【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】http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201605/t20160530_4612358.html

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