磁浮子為存儲技術(shù)發(fā)展帶來新機遇

在傳統(tǒng)計算機中，數(shù)據(jù)往往是以二進制形式的“0”與“1”來存儲。例如，我們常見的磁表面存儲器，就是利用涂覆在載體表面的磁性材料的兩種不同的磁化狀態(tài)，來表示二進制信息的“0”和“1”。然而，據(jù)媒體報道，科學(xué)家們曾發(fā)現(xiàn)一種奇特的粒子，能將筆記本計算機硬盤縮小至花生大小。

這種粒子就是“斯格明子”（Skyrmion），它是一種具有粒子特性的拓撲磁結(jié)構(gòu)。這一概念最早在高能物理中被提出，是由英國物理學(xué)家Tony Skyrme于1962年在理論上求解非線性sigma模型得出的一個非平庸經(jīng)典解，是一種拓撲孤立子，現(xiàn)在常指磁性材料中的斯格明子。

斯格明子具有尺寸小、穩(wěn)定性高、操控難度低等特點，有利于未來構(gòu)建高密度、高速度、低能耗的磁存儲器。一段時間，這種稱為“斯格明子”的微型磁渦旋結(jié)構(gòu)受到了科學(xué)家們集中的研究。例如，筆者曾介紹過新加坡國立大學(xué)的科研人員發(fā)明的一種新型超薄多層膜，就是利用斯格明子進行信息存儲。

但是，德國于利希研究中心教授 Stefan Blügel 表示：“迄今為止，數(shù)字數(shù)據(jù)都被認為應(yīng)該以一系列斯格明子和空白空間來代表?！毕嗬^的斯格明子之間的距離可編碼二進制信息。然而，它必須經(jīng)過控制或者量子化，從而使得斯格明子在自發(fā)漂移的過程中不會丟失信息。

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心與德國于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的科學(xué)家們合作，通過實驗手段發(fā)現(xiàn)了另外一種粒子般的磁性物體:“手性磁浮子”（chiral magnetic bobbers），為解決上述問題帶來了新機遇。

數(shù)字數(shù)據(jù)的編碼可以直接通過一系列的斯格明子和手性磁浮子來進行。它們每一個都可以自由漂移，無需相繼數(shù)據(jù)比特載體之間保持準(zhǔn)確的距離。這項研究將數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的開發(fā)向前推進了一大步。如果斯格明子用于編碼數(shù)據(jù)“1”，那么磁浮子就用于編碼數(shù)據(jù)“0”。手性磁浮子是一種出現(xiàn)于特定合金表面附近的三維磁結(jié)構(gòu)。

于利希研究中心 Peter Grünberg 研究所（PGI-1）博士 Nikolai Kiselev 表示：“長期以來，手性磁體領(lǐng)域研究的唯一對象就是磁性斯格明子?，F(xiàn)在我們?yōu)榭蒲腥藛T的研究提供了一種新對象【磁浮子】，它具有一系列獨特的特性。”三年前，他與研究所主任教授 Stefan Blügel 以及其他合作伙伴一起，從理論上預(yù)測了這種新型磁結(jié)構(gòu)的存在。

現(xiàn)在，來自德國恩斯特魯斯卡電子顯微學(xué)與電子譜學(xué)中心（Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons）的主任教授 Rafal E. Dunin-Borkowski 及其同事們通過實驗成功地在真實材料中證明了這種磁浮子的存在。

以斯格明子為代表的磁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與材料的一種特性相關(guān)，它就是手性。手性一詞指一個物體不能與其鏡像相重合，例如我們的雙手，左手與互成鏡像的右手不重合。左手不能轉(zhuǎn)化為右手，同樣右手磁結(jié)構(gòu)和左手磁結(jié)構(gòu)也不能相互轉(zhuǎn)化。

此外，斯格明子和新發(fā)現(xiàn)的手性磁浮子都非常微小，一般來說直徑只有幾十納米。因此，原則上它們可用于在存儲芯片上非常密集地打包數(shù)據(jù)。然而，它們的小尺寸使得觀察變得極具挑戰(zhàn)性。Rafal Dunin-Borkowski 解釋道：“在這么小尺寸基礎(chǔ)上的磁織構(gòu)可視化，需要采用全世界范圍內(nèi)只有少數(shù)幾個實驗室才有的最先進的技術(shù)?！?/p>

為什么磁孤子（在非線性物理中這種粒子般的物體的另一個名字），例如斯格明子和手性磁浮子，具有很好的應(yīng)用前景？另外一個重要原因就是：與存儲于硬盤驅(qū)動器中的數(shù)據(jù)比特不同，斯格明子是可移動的物體。一個非常微弱的電流脈沖，就可以引發(fā)它們沿著芯片中的引導(dǎo)軌跡運動。這一特性為開發(fā)全新的磁性固態(tài)存儲器（也稱為斯格明子賽道存儲器）帶來了新的機遇。Nikolai Kiselev 解釋道：“斯格明子的可移動性，使得數(shù)據(jù)在從寫元件移動到讀元件過程中，無需任何可移動的機械部件例如讀寫頭，也無需硬盤本身旋轉(zhuǎn)?！?/p>

這種能力節(jié)約了能量。這是因為組件的運動通常需要更多的能量，占用更多的空間，而且對機械振動與沖擊敏感。新型固態(tài)磁存儲器沒有上述缺點。現(xiàn)在，新發(fā)現(xiàn)的磁粒子使得通過兩種類型的磁性物體（斯格明子和磁浮子）直接編碼數(shù)字數(shù)據(jù)變?yōu)榭赡堋?/span>

下一步的研究就是開發(fā)實際應(yīng)用。在 Nikolai Kiselev 及其同事們研究的鐵鍺合金中，這種結(jié)構(gòu)只有在達200開爾文（零下73.5攝氏度）的條件下才是穩(wěn)定的。然而，科學(xué)家們通過理論探討預(yù)測，就像最近發(fā)現(xiàn)的一些種類的斯格明子一樣，磁浮子也可能在其他手性磁體中產(chǎn)生，也可以存在于室溫條件下。