磁單極子的研究促進(jìn)新一代自旋電子存儲(chǔ)器的開(kāi)發(fā)

（文章來(lái)源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）

在信息大爆炸的時(shí)代，我們每天都要產(chǎn)生和面臨大量的數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)有的存儲(chǔ)器在尺寸、性能、功耗、成本等方面都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，世界各國(guó)科學(xué)家們正在探索各式各樣的新型存儲(chǔ)技術(shù)，其中一個(gè)典型就是：基于自旋電子學(xué)和磁學(xué)的新型存儲(chǔ)器件。

德國(guó)美因茨大學(xué)的物理學(xué)家們展示了在反鐵磁體中讀出和寫(xiě)入數(shù)字信息是技術(shù)上可行的，未來(lái)有望帶來(lái)超高速、穩(wěn)定的磁存儲(chǔ)器。新加坡國(guó)立大學(xué)的科研人員發(fā)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(jié)構(gòu)單元：斯格明子存儲(chǔ)信息，它被認(rèn)為是下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和邏輯設(shè)備的主要信息載體。日本東北大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出存儲(chǔ)密度達(dá)128Mb的自旋轉(zhuǎn)移矩-磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（STT-MRAM），寫(xiě)入速度達(dá)14納秒，可作為物聯(lián)網(wǎng)和人工智能中用到的緩存使用。

美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在芯片上創(chuàng)造出一個(gè)納米級(jí)的“運(yùn)動(dòng)場(chǎng)”，它可以模擬稱為“磁單極子”的奇特磁性粒子的形成。這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》期刊上。

近年來(lái)，其他的研究人員一直在嘗試創(chuàng)造出磁單極子的現(xiàn)實(shí)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(gè)的北極或者南極。這些難以捉摸的粒子可以通過(guò)制造人工自旋冰材料來(lái)模仿和觀察。自旋冰，是具有與水形成的冰相似結(jié)構(gòu)的大型納米磁體陣列，其中的原子排列并不是完全對(duì)稱的，從而導(dǎo)致殘余的北極或者南極。

磁學(xué)存在異性相吸現(xiàn)象（北極會(huì)吸引南極，南極也會(huì)吸引北極），所以這些單極會(huì)嘗試找尋它們的絕配。論文領(lǐng)導(dǎo)作者、時(shí)任伯克利實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源（ALS）博士后研究員、現(xiàn)工作于瑞士保羅謝爾研究所的 Alan Farhan 表示，但是因?yàn)檫@些傳統(tǒng)的人工自旋冰是二維系統(tǒng)，單極子高度受限，因此并不是真正代表磁單極子的表現(xiàn)。

為了克服這個(gè)障礙，伯克利實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)模擬了一個(gè)遵循“冰的規(guī)則”的納米三維系統(tǒng)，這一規(guī)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(guān)鍵要素。通過(guò)我們的三維系統(tǒng)，一個(gè)北單極子或者南單極子，可以朝著其想要去的地方移動(dòng)，與環(huán)境中的其他粒子相互作用，就像一個(gè)被隔離的磁荷一樣，換句話說(shuō)，就像一個(gè)磁單極子?！?/p>

團(tuán)隊(duì)采用由伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠（一個(gè)納米科研設(shè)施）開(kāi)發(fā)的復(fù)雜光刻工具，刻畫(huà)出一個(gè)三維正方晶格狀的納米磁體。晶格中的每個(gè)磁體大約是一個(gè)細(xì)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(gè)納米世界：微晶圓上的微架構(gòu)”，但是原子級(jí)的配置酷似自然冰。

為了構(gòu)造這種納米結(jié)構(gòu)，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(duì)齊。在分子鑄造廠，論文合著者 Scott Dhuey 在微型硅芯片上制造出由四種結(jié)構(gòu)組成的納米圖案，然后在ALS（一個(gè)向全世界訪問(wèn)科學(xué)家開(kāi)放的同步輻射光源研究設(shè)施）研究這些芯片。研究人員們采用了一項(xiàng)稱為“X射線光激發(fā)電子顯微鏡（PEEM）”的技術(shù)，用對(duì)磁結(jié)構(gòu)敏感的強(qiáng)大X射線光束刻畫(huà)出納米圖案，來(lái)觀察磁單極子是如何根據(jù)溫度變化形成和移動(dòng)的。

相比于其他光源的PEEM微顯微鏡，伯克利實(shí)驗(yàn)室的PEEM3顯微鏡具有更高的X射線入射角，減小了陰影效應(yīng)。它類(lèi)似于當(dāng)太陽(yáng)光以一定角度照射在表面上所形成的建筑物投影。Farhan 表示：“實(shí)際上，記錄的圖片并沒(méi)有任何陰影效應(yīng)。這使得PEEM3成為這個(gè)項(xiàng)目成功的關(guān)鍵要素?！?/p>

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(jù)溫度變化形成和移動(dòng)的。 (圖片來(lái)源: Farhan/伯克利實(shí)驗(yàn)室)

Farhan 補(bǔ)充道，PEEM3是世界上唯一能在100開(kāi)爾文（低于零下280華氏度）范圍賦予用戶完全溫度控制的微型顯微鏡，它能實(shí)時(shí)捕捉人工冷凍冰中浮現(xiàn)的磁單極子是如何融化成液體，并且隨著液體蒸發(fā)成為類(lèi)似氣體狀態(tài)的磁荷（一種稱為等離子體的物質(zhì)狀態(tài)）。