科學家在實空間首次觀測到磁浮子

近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心田明亮課題組研究員杜海峰和德國尤利西研究中心教授R. E. Dunin-Borkowski團隊及Nikolai S. Kiselev領導的小組形成的合作研究團隊，利用電子全息技術在准二維螺旋磁性材料FeGe納米結構中實驗發現一種稱之為「磁浮子」的新型三維局域磁結構，相關成果以Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe 為題發表在期刊《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。

二進位是計算技術中廣泛採用的一種數制，是整個數據存儲的基礎。二進位數據是用「0」和「1」兩個數碼來表示的數。在具體的物理載體中，「0」和「1」是利用物理實體兩個可操控的物理態來實現的，如計算硬碟中磁疇的兩個磁化方向。2009年德國科學家在一類螺旋磁性材料中發現了一種具有粒子特性的拓撲磁結構，即磁斯格明子（Skyrmion）。斯格明子具有尺寸小、穩定性高和易操控等系列特點，從而可以作為基本的數據比特來構建未來高密度、高速度、低能耗磁存儲器。但是長久以來，斯格明子被認為是此類材料中唯一存在的局域磁結構，因此只能作為二進位數據比特中的「1」或「0」一個，可以利用鐵磁態作為另一個數據比特的載體。但是，由於斯格明子本身是存在於鐵磁背景中，熱擾動等外部因素會使斯格明子發生漂移，從而引起實際信息存儲中的紊亂。通過在磁存儲單元間構造人工缺陷能夠限制斯格明子的無序運動，但無疑會增加器件設計的複雜性與成本。

磁拓撲態之間的相互作用可以有效抑制它們的自髮漂移，然而，同一種磁拓撲態結構，如磁斯格明子，很難實現「0」和「1」不同數據比特的分辨。因此，尋找新型局域的磁結構是解決該難題的主要途徑。2015年，德國科學家首先理論預言在一定厚度的螺旋磁性材料中還存在一種磁結構—手性磁浮子 (Magnetic Chiral Bobber)。磁浮子是漂浮在材料表面的一種新型局域磁結構，可以取代鐵磁態作為數據比特「0」應用到存儲器設計中，這種新設計可以安全避免額外的構造人工缺陷等工藝，具有結構簡單和成本低的優點。

在該工作中，強磁場中心團隊利用聚焦離子束技術製備了高質量的納米結構樣品，通過和德國尤利西合作團隊多次實驗摸索，在FeGe納米材料中利用電子全息技術首次在實空間中直接觀測到磁浮子，並且進一步發現磁浮子可以與斯格明子共存。該研究結果不僅擴展了手性磁體中拓撲磁結構的範圍，為相關的器件設計提供了很好的基礎。

該工作中杜海峰和德國Nikolai S. Kiselev 作為論文的共同通訊作者。

該研究工作受到國家重點研究計劃專項基金、中科院重點部署項目、國家自然科學基金、中科院青年促進會等經費資助。

圖：a，磁斯格明子及磁浮子的自旋排列；b，由磁斯格明子及磁浮子作為數據載體構成的數據流，以及相應的數據存儲示意圖；c，磁斯格明子及磁浮子在納米條帶中的三維磁構型；d，磁斯格明子及磁浮子所對應的磁相位，磁浮子具有弱的相位襯度，具體數值如圖e所示。

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