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科学家在实空间首次观测到磁浮子
[发布日期:2018-04-26  点击次数:737]

 近日,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组研究员杜海峰和德国尤利西研究中心教授R. E. Dunin-Borkowski团队及Nikolai S. Kiselev领导的小组形成的合作研究团队,利用电子全息技术在准二维螺旋磁性材料FeGe纳米结构中实验发现一种称之为“磁浮子”的新型三维局域磁结构,相关成果以Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe 为题发表在期刊《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

  二进制是计算技术中广泛采用的一种数制,是整个数据存储的基础。二进制数据是用“0”和“1”两个数码来表示的数。在具体的物理载体中,“0”和“1”是利用物理实体两个可操控的物理态来实现的,如计算硬盘中磁畴的两个磁化方向。2009年德国科学家在一类螺旋磁性材料中发现了一种具有粒子特性的拓扑磁结构,即磁斯格明子(Skyrmion)。斯格明子具有尺寸小、稳定性高和易操控等系列特点,从而可以作为基本的数据比特来构建未来高密度、高速度、低能耗磁存储器。但是长久以来,斯格明子被认为是此类材料中唯一存在的局域磁结构,因此只能作为二进制数据比特中的“1”或“0”一个,可以利用铁磁态作为另一个数据比特的载体。但是,由于斯格明子本身是存在于铁磁背景中,热扰动等外部因素会使斯格明子发生漂移,从而引起实际信息存储中的紊乱。通过在磁存储单元间构造人工缺陷能够限制斯格明子的无序运动,但无疑会增加器件设计的复杂性与成本。

  磁拓扑态之间的相互作用可以有效抑制它们的自发漂移,然而,同一种磁拓扑态结构,如磁斯格明子,很难实现“0”和“1”不同数据比特的分辨。因此,寻找新型局域的磁结构是解决该难题的主要途径。2015年,德国科学家首先理论预言在一定厚度的螺旋磁性材料中还存在一种磁结构—手性磁浮子 (Magnetic Chiral Bobber)。磁浮子是漂浮在材料表面的一种新型局域磁结构,可以取代铁磁态作为数据比特“0”应用到存储器设计中,这种新设计可以安全避免额外的构造人工缺陷等工艺,具有结构简单和成本低的优点。

  在该工作中,强磁场中心团队利用聚焦离子束技术制备了高质量的纳米结构样品,通过和德国尤利西合作团队多次实验摸索,在FeGe纳米材料中利用电子全息技术首次在实空间中直接观测到磁浮子,并且进一步发现磁浮子可以与斯格明子共存。该研究结果不仅扩展了手性磁体中拓扑磁结构的范围,为相关的器件设计提供了很好的基础。

  该工作中杜海峰和德国Nikolai S. Kiselev 作为论文的共同通讯作者。

  该研究工作受到国家重点研究计划专项基金、中科院重点部署项目、国家自然科学基金、中科院青年促进会等经费资助。

图: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为数据载体构成的数据流,以及相应的数据存储示意图;c,磁斯格明子及磁浮子在纳米条带中的三维磁构型;d,磁斯格明子及磁浮子所对应的磁相位,磁浮子具有弱的相位衬度,具体数值如图e所示。

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