磁浮子：为存储技术发展带来新机遇！

导读

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心与德国于利希研究中心的科学家们合作，通过实验手段发现了一种新型三维磁结构：手性磁浮子，为未来构建高密度、高速度、低能耗的磁存储器带来了新的机遇。

背景

在传统计算机中，数据往往是以二进制形式的“0”与“1”来存储。例如，我们常见的磁表面存储器，就是利用涂覆在载体表面的磁性材料的两种不同的磁化状态，来表示二进制信息的“0”和“1”。然而，据媒体报道，科学家们曾发现一种奇特的粒子，能将笔记本计算机硬盘缩小至花生大小。

这种粒子就是“斯格明子”（Skyrmion），它是一种具有粒子特性的拓扑磁结构。这一概念最早在高能物理中被提出，是由英国物理学家Tony Skyrme于1962年在理论上求解非线性sigma模型得出的一个非平庸经典解，是一种拓扑孤立子，现在常指磁性材料中的斯格明子。

（图片来源：维基百科）

斯格明子具有尺寸小、稳定性高、操控难度低等特点，有利于未来构建高密度、高速度、低能耗的磁存储器。一段时间，这种称为“斯格明子”的微型磁涡旋结构受到了科学家们集中的研究。例如，笔者曾介绍过新加坡国立大学的科研人员发明的一种新型超薄多层膜，就是利用斯格明子进行信息存储。

（图片来源：Siew Shawn Yohanes / 新加坡国立大学）

但是，德国于利希研究中心教授 Stefan Blügel 表示：“迄今为止，数字数据都被认为应该以一系列斯格明子和空白空间来代表。”相继的斯格明子之间的距离可编码二进制信息。然而，它必须经过控制或者量子化，从而使得斯格明子在自发漂移的过程中不会丢失信息。

创新

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心与德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的科学家们合作，通过实验手段发现了另外一种粒子般的磁性物体:“手性磁浮子”（chiral magnetic bobbers），为解决上述问题带来了新机遇。

用一系列的磁浮子（画面前方）与斯格明子（画面后方）编码数字数据

（图片来源：N. Kiselev / 德国于利希研究中心）

数字数据的编码可以直接通过一系列的斯格明子和手性磁浮子来进行。它们每一个都可以自由漂移，无需相继数据比特载体之间保持准确的距离。这项研究将数据存储设备的开发向前推进了一大步。

技术

如果斯格明子用于编码数据“1”，那么磁浮子就用于编码数据“0”。手性磁浮子是一种出现于特定合金表面附近的三维磁结构。

于利希研究中心 Peter Grünberg 研究所（PGI-1）博士 Nikolai Kiselev 表示：“长期以来，手性磁体领域研究的唯一对象就是磁性斯格明子。现在我们为科研人员的研究提供了一种新对象【磁浮子】，它具有一系列独特的特性。”三年前，他与研究所主任教授 Stefan Blügel 以及其他合作伙伴一起，从理论上预测了这种新型磁结构的存在。

现在，来自德国恩斯特鲁斯卡电子显微学与电子谱学中心（Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons）的主任教授 Rafal E. Dunin-Borkowski 及其同事们通过实验成功地在真实材料中证明了这种磁浮子的存在。

以斯格明子为代表的磁结构的稳定性与材料的一种特性相关，它就是手性。手性一词指一个物体不能与其镜像相重合，例如我们的双手，左手与互成镜像的右手不重合。左手不能转化为右手，同样右手磁结构和左手磁结构也不能相互转化。

此外，斯格明子和新发现的手性磁浮子都非常微小，一般来说直径只有几十纳米。因此，原则上它们可用于在存储芯片上非常密集地打包数据。然而，它们的小尺寸使得观察变得极具挑战性。Rafal Dunin-Borkowski 解释道：“在这么小尺寸基础上的磁织构可视化，需要采用全世界范围内只有少数几个实验室才有的最先进的技术。”

为什么磁孤子（在非线性物理中这种粒子般的物体的另一个名字），例如斯格明子和手性磁浮子，具有很好的应用前景？另外一个重要原因就是：与存储于硬盘驱动器中的数据比特不同，斯格明子是可移动的物体。一个非常微弱的电流脉冲，就可以引发它们沿着芯片中的引导轨迹运动。这一特性为开发全新的磁性固态存储器（也称为斯格明子赛道存储器）带来了新的机遇。Nikolai Kiselev 解释道：“斯格明子的可移动性，使得数据在从写元件移动到读元件过程中，无需任何可移动的机械部件例如读写头，也无需硬盘本身旋转。”

赛道存储器的概念示意图：磁性物体从读元件移动到写元件

（图片来源：T. Schlößer / 德国于利希研究中心）

价值

这种能力节约了能量。这是因为组件的运动通常需要更多的能量，占用更多的空间，而且对机械振动与冲击敏感。新型固态磁存储器没有上述缺点。现在，新发现的磁粒子使得通过两种类型的磁性物体（斯格明子和磁浮子）直接编码数字数据变为可能。

未来

下一步的研究就是开发实际应用。在 Nikolai Kiselev 及其同事们研究的铁锗合金中，这种结构只有在达200开尔文（零下73.5摄氏度）的条件下才是稳定的。然而，科学家们通过理论探讨预测，就像最近发现的一些种类的斯格明子一样，磁浮子也可能在其他手性磁体中产生，也可以存在于室温条件下。

关键字

磁、斯格明子、存储技术

参考资料

【1】http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/EN/2018/notifications/2018-06-28-magnetic-bobbers.html

【2】Fengshan Zheng, Filipp N. Rybakov, Aleksandr B. Borisov, Dongsheng Song, Shasha Wang, Zi-An Li, Haifeng Du, Nikolai S. Kiselev, Jan Caron, András Kovács, Mingliang Tian, Yuheng Zhang, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski. Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe. Nature Nanotechnology, 2018; 13 (6): 451 DOI: 10.1038/s41565-018-0093-3