斯格明子：有望带来新一代存储器！

导读

近日，英国伯明翰大学、布里斯托大学、美国科罗拉多大学博尔得分校的科学家们采用一门称为“斯格明子电子学（skyrmionics）”的新兴科学，朝着新一代数据存储和处理设备的目标又更近了一步。

背景

20世纪60年代，英国物理学家托尼·斯格明（Tony Hilton Royle Skyrme）发展了一套描述原子核力的理论模型，通过求解非线性场论方程得到一种具有粒子性质的拓扑孤子。在托尼·斯格明去世（1987年）前五年，这一粒子才被科学界关注并被命名为斯格明子(skyrmion)。

简单说，斯格明子是一种具有准粒子特性并受拓扑保护的自旋结构。其中电荷以漩涡状稳定排列，电荷虽可被重新移动组合，但这种结构不会改变。

下图展示了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 skyrmion）。

（图片来源：维基百科）

在斯格明子内部，旋转电子指向不同的方向，在彼此接近时很难彼此粘在一起，这种结构有利于存储器的小型化。此外，由于具有稳定的拓扑结构，这种特殊的自旋排列，使得驱动斯格明子状态改变的电流密度比驱动传统磁畴要低5-6个量级。

因此，磁性斯格明子有望作为一种全新的信息载体，成为未来构建高密度、高速度、低能耗的磁性信息存储器件的理想候选材料。举例来说，笔者曾介绍过新加坡国立大学的科研人员发明的一种超薄多层膜，能有效利用斯格明子进行信息的存储。

（图片来源：Siew Shawn Yohanes / 新加坡国立大学）

创新

近日，英国伯明翰大学、布里斯托大学、美国科罗拉多大学博尔得分校的科学家们采用一门称为“斯格明子电子学（skyrmionics）”的新兴科学，朝着新一代数据存储和处理设备的目标又更近了一步。

斯格明子电子学主要是利用斯格明子磁性薄膜中的纳米结构的特性。磁表面的这些自旋如同微型涡旋一样，科学家们相信它们能比现代计算机所依赖的现有磁性数据存储技术更密集地存储大量数据。这些斯格明子结构的形状意味着，其中编码的数据能比现有的方案以更低的功耗传输。

（图片来源：参考资料【2】）

但是，以一种新方式排列这些新结构，使之能够存储和转移数据，被证明是极具挑战性的。

在《自然物理（Nature Physics）》期刊上发表的新研究中，由英国理论学家和美国实验学家组成的研究团队展示了一种将多个斯格明子在一种称为“斯格明子包”的结构中结合到一起的方法。“斯格明子包”使得斯格明子系统中可以封装更大量的信息。

磁性材料中的斯格明子包的模拟图（图片来源：伯明翰大学）

技术

伯明翰大学理论物理教授、这项研究的领导作者 Mark Dennis 表示：“改善数据存储所面临的挑战越来越严峻。我们将需要新技术方案来增加在计算机、手机以及其他设备中存储的信息量，斯格明子包可能是一种解决方案。每个斯格明子包可含有任意数量的斯格明子，而不是采用一连串的单个斯格明子来编码二进制比特，大大增加了数据存储的潜力。”

团队采用计算机仿真在磁性设备中对于他们的技术进行了建模，并成功地在涉及液晶的实验中进行了测试。

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

（图片来源：参考资料【2】）

价值

论文合作领导作者、布里斯托大学博士 David Foster 表示：“看到这项技术在液晶中运作，让我们感到非常振奋，因为它为显示器、传感器甚至太阳能电池领域的进展开辟了新的可能性。”

关键字

斯格明子、液晶、显示器、传感器、存储器

参考资料

【1】https://www.birmingham.ac.uk/news/latest/2019/04/skyrmions-could-provide-next-generation-data-storage.aspx

【2】David Foster, Charles Kind, Paul J. Ackerman, Jung-Shen B. Tai, Mark R. Dennis, Ivan I. Smalyukh. Two-dimensional skyrmion bags in liquid crystals and ferromagnets. Nature Physics, 2019; DOI: 10.1038/s41567-019-0476-x