美国劳伦斯伯克利国家实验室研究“磁单极子”取得新进展！

导读

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室领导的研究团队在芯片上创造出一个纳米级的“运动场”，它可以模拟称为“磁单极子”的奇特磁性粒子的形成。

背景

在信息大爆炸的时代，我们每天都要产生和面临大量的数据信息。现有的存储器在尺寸、性能、功耗、成本等方面都面临着严峻挑战。因此，世界各国科学家们正在探索各式各样的新型存储技术，其中一个典型就是：基于自旋电子学和磁学的新型存储器件。

1）德国美因茨大学的物理学家们展示了在反铁磁体中读出和写入数字信息是技术上可行的，未来有望带来超高速、稳定的磁存储器。

（图片来源：参考资料【2】）

2）新加坡国立大学的科研人员发明了一种新型超薄多层膜，能够有效地利用一种手型自旋结构单元：斯格明子存储信息，它被认为是下一代数据存储和逻辑设备的主要信息载体。

（图片来源于：参考资料【3】）

3）日本东北大学的科研团队成功开发出存储密度达128Mb的自旋转移矩-磁性随机存储器（STT-MRAM），写入速度达14纳秒，可作为物联网和人工智能中用到的缓存使用。

（图片来源：东北大学）

创新

今天，笔者为大家介绍的这一研究进展，将有利于推进基于自旋电子学的磁性存储器件的开发。

近日，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）领导的研究团队在芯片上创造出一个纳米级的“运动场”，它可以模拟称为“磁单极子”的奇特磁性粒子的形成。这项研究最近发表在《科学进展（Science Advances）》期刊上。

(图片来源: Farhan/伯克利实验室)

技术

近年来，其他的研究人员一直在尝试创造出磁单极子的现实世界模型。磁单极子，是一种理论上的磁性亚原子粒子，它具有单个的北极或者南极。这些难以捉摸的粒子可以通过制造人工自旋冰材料来模仿和观察。自旋冰，是具有与水形成的冰相似结构的大型纳米磁体阵列，其中的原子排列并不是完全对称的，从而导致残余的北极或者南极。

下图所示：磁单极子在210K温度条件下的运动。红点代表正磁荷（北极），蓝点代表负磁荷（南极）。

(图片来源: Farhan/伯克利实验室)

磁学存在异性相吸现象（北极会吸引南极，南极也会吸引北极），所以这些单极会尝试找寻它们的绝配。论文领导作者、时任伯克利实验室先进光源（ALS）博士后研究员、现工作于瑞士保罗谢尔研究所的 Alan Farhan 表示，但是因为这些传统的人工自旋冰是二维系统，单极子高度受限，因此并不是真正代表磁单极子的表现。

为了克服这个障碍，伯克利实验室领导的团队模拟了一个遵循“冰的规则”的纳米三维系统，这一规则主宰着原子是如何在冰（由水或者矿物烧绿石形成）中排列的。

Farhan 表示：“这是我们研究的关键要素。通过我们的三维系统，一个北单极子或者南单极子，可以朝着其想要去的地方移动，与环境中的其他粒子相互作用，就像一个被隔离的磁荷一样，换句话说，就像一个磁单极子。”

团队采用由伯克利实验室分子铸造厂（一个纳米科研设施）开发的复杂光刻工具，刻画出一个三维正方晶格状的纳米磁体。晶格中的每个磁体大约是一个细菌的大小，待在1厘米乘1厘米的硅晶圆上。Farhan 表示，“这是一个纳米世界：微晶圆上的微架构”，但是原子级的配置酷似自然冰。

为了构造这种纳米结构，研究人员们综合了两种曝光方法，每一种都在20纳米到30纳米之间对齐。在分子铸造厂，论文合著者 Scott Dhuey 在微型硅芯片上制造出由四种结构组成的纳米图案，然后在ALS（一个向全世界访问科学家开放的同步辐射光源研究设施）研究这些芯片。研究人员们采用了一项称为“X射线光激发电子显微镜（PEEM）”的技术，用对磁结构敏感的强大X射线光束刻画出纳米图案，来观察磁单极子是如何根据温度变化形成和移动的。

相比于其他光源的PEEM微显微镜，伯克利实验室的PEEM3显微镜具有更高的X射线入射角，减小了阴影效应。它类似于当太阳光以一定角度照射在表面上所形成的建筑物投影。Farhan 表示：“实际上，记录的图片并没有任何阴影效应。这使得PEEM3成为这个项目成功的关键要素。”

下图所示：这幅190K温度条件下记录的XMCD（X射线磁性圆二色性）图像序列展示了磁单极子如何根据温度变化形成和移动的。

(图片来源: Farhan/伯克利实验室)

Farhan 补充道，PEEM3是世界上唯一能在100开尔文（低于零下280华氏度）范围赋予用户完全温度控制的微型显微镜，它能实时捕捉人工冷冻冰中浮现的磁单极子是如何融化成液体，并且随着液体蒸发成为类似气体状态的磁荷（一种称为等离子体的物质状态）。

价值

这项研究将揭开越来越小、越来越强大的存储器件、微电子器件和采用磁自旋来存储数据的新一代硬盘驱动器的秘密。

现在，研究人员希望刻画越来越小的纳米磁体，从而推进更小更强大的自旋电子学。自旋电子学，是一个很受欢迎的微电子学领域，它利用粒子的磁自旋特性，在较小的设备例如磁性硬盘驱动器中，存储更多的数据。

这些设备使用磁薄膜和超导薄膜，部署与操控磁单极子，分类和挑选基于它们的南北极性方向的数据，类似于传统磁存储设备中“0”与“1”。

关键字

磁、自旋、物理、电子

参考资料

【1】https://newscenter.lbl.gov/2019/03/04/how-to-catch-a-magnetic-monopole-in-the-act/

【2】S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24 January 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02780-x

【3】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.

【4】Alan Farhan, Michael Saccone, Charlotte F. Petersen, Scott Dhuey, Rajesh V. Chopdekar, Yen-Lin Huang, Noah Kent, Zuhuang Chen, Mikko J. Alava, Thomas Lippert, Andreas Scholl, Sebastiaan van Dijken. Emergent magnetic monopole dynamics in macroscopically degenerate artificial spin ice. Science Advances, 2019; 5 (2): eaav6380 DOI: 10.1126/sciadv.aav6380