「磁單極子」研究新進展：促進新一代自旋電子存儲器開發！

導讀

近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室領導的研究團隊在晶元上創造出一個納米級的「運動場」，它可以模擬稱為「磁單極子」的奇特磁性粒子的形成。

背景

在信息大爆炸的時代，我們每天都要產生和面臨大量的數據信息。現有的存儲器在尺寸、性能、功耗、成本等方面都面臨著嚴峻挑戰。因此，世界各國科學家們正在探索各式各樣的新型存儲技術，其中一個典型就是：基於自旋電子學和磁學的新型存儲器件。

1）德國美因茨大學的物理學家們展示了在反鐵磁體中讀出和寫入數字信息是技術上可行的，未來有望帶來超高速、穩定的磁存儲器。

（圖片來源：參考資料【2】）

2）新加坡國立大學的科研人員發明了一種新型超薄多層膜，能夠有效地利用一種手型自旋結構單元：斯格明子存儲信息，它被認為是下一代數據存儲和邏輯設備的主要信息載體。

（圖片來源於：參考資料【3】）

3）日本東北大學的科研團隊成功開發出存儲密度達128Mb的自旋轉移矩-磁性隨機存儲器（STT-MRAM），寫入速度達14納秒，可作為物聯網和人工智慧中用到的緩存使用。

（圖片來源：東北大學）

創新

今天，筆者為大家介紹的這一研究進展，將有利於推進基於自旋電子學的磁性存儲器件的開發。

近日，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的研究團隊在晶元上創造出一個納米級的「運動場」，它可以模擬稱為「磁單極子」的奇特磁性粒子的形成。這項研究最近發表在《科學進展（Science Advances）》期刊上。

(圖片來源: Farhan/伯克利實驗室)

技術

近年來，其他的研究人員一直在嘗試創造出磁單極子的現實世界模型。磁單極子，是一種理論上的磁性亞原子粒子，它具有單個的北極或者南極。這些難以捉摸的粒子可以通過製造人工自旋冰材料來模仿和觀察。自旋冰，是具有與水形成的冰相似結構的大型納米磁體陣列，其中的原子排列並不是完全對稱的，從而導致殘餘的北極或者南極。

下圖所示：磁單極子在210K溫度條件下的運動。紅點代表正磁荷（北極），藍點代表負磁荷（南極）。

(圖片來源: Farhan/伯克利實驗室)

磁學存在異性相吸現象（北極會吸引南極，南極也會吸引北極），所以這些單極會嘗試找尋它們的絕配。論文領導作者、時任伯克利實驗室先進光源（ALS）博士後研究員、現工作於瑞士保羅謝爾研究所的 Alan Farhan 表示，但是因為這些傳統的人工自旋冰是二維繫統，單極子高度受限，因此並不是真正代表磁單極子的表現。

為了克服這個障礙，伯克利實驗室領導的團隊模擬了一個遵循「冰的規則」的納米三維繫統，這一規則主宰著原子是如何在冰（由水或者礦物燒綠石形成）中排列的。

Farhan 表示：「這是我們研究的關鍵要素。通過我們的三維繫統，一個北單極子或者南單極子，可以朝著其想要去的地方移動，與環境中的其他粒子相互作用，就像一個被隔離的磁荷一樣，換句話說，就像一個磁單極子。」

團隊採用由伯克利實驗室分子鑄造廠（一個納米科研設施）開發的複雜光刻工具，刻畫出一個三維正方晶格狀的納米磁體。晶格中的每個磁體大約是一個細菌的大小，待在1厘米乘1厘米的硅晶圓上。Farhan 表示，「這是一個納米世界：微晶圓上的微架構」，但是原子級的配置酷似自然冰。

為了構造這種納米結構，研究人員們綜合了兩種曝光方法，每一種都在20納米到30納米之間對齊。在分子鑄造廠，論文合著者 Scott Dhuey 在微型硅晶元上製造出由四種結構組成的納米圖案，然後在ALS（一個向全世界訪問科學家開放的同步輻射光源研究設施）研究這些晶元。研究人員們採用了一項稱為「X射線光激發電子顯微鏡（PEEM）」的技術，用對磁結構敏感的強大X射線光束刻畫出納米圖案，來觀察磁單極子是如何根據溫度變化形成和移動的。

相比於其他光源的PEEM微顯微鏡，伯克利實驗室的PEEM3顯微鏡具有更高的X射線入射角，減小了陰影效應。它類似於當太陽光以一定角度照射在表面上所形成的建築物投影。Farhan 表示：「實際上，記錄的圖片並沒有任何陰影效應。這使得PEEM3成為這個項目成功的關鍵要素。」

下圖所示：這幅190K溫度條件下記錄的XMCD（X射線磁性圓二色性）圖像序列展示了磁單極子如何根據溫度變化形成和移動的。

(圖片來源: Farhan/伯克利實驗室)

Farhan 補充道，PEEM3是世界上唯一能在100開爾文（低於零下280華氏度）範圍賦予用戶完全溫度控制的微型顯微鏡，它能實時捕捉人工冷凍冰中浮現的磁單極子是如何融化成液體，並且隨著液體蒸發成為類似氣體狀態的磁荷（一種稱為等離子體的物質狀態）。

價值

這項研究將揭開越來越小、越來越強大的存儲器件、微電子器件和採用磁自旋來存儲數據的新一代硬碟驅動器的秘密。

現在，研究人員希望刻畫越來越小的納米磁體，從而推進更小更強大的自旋電子學。自旋電子學，是一個很受歡迎的微電子學領域，它利用粒子的磁自旋特性，在較小的設備例如磁性硬碟驅動器中，存儲更多的數據。

這些設備使用磁薄膜和超導薄膜，部署與操控磁單極子，分類和挑選基於它們的南北極性方向的數據，類似於傳統磁存儲設備中「0」與「1」。

關鍵字

磁、自旋、物理、電子

參考資料

【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

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