近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心田明亮課題組研究員杜海峰和德國(guó)尤利西研究中心教授R. E. Dunin-Borkowski團(tuán)隊(duì)及Nikolai S. Kiselev領(lǐng)導(dǎo)的小組形成的合作研究團(tuán)隊(duì)，利用電子全息技術(shù)在準(zhǔn)二維螺旋磁性材料FeGe納米結(jié)構(gòu)中實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一種稱之為“磁浮子”的新型三維局域磁結(jié)構(gòu)，相關(guān)成果以Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe 為題發(fā)表在期刊《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。

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(shù)據(jù)載體構(gòu)成的數(shù)據(jù)流，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示意圖；c，磁斯格明子及磁浮子在納米條帶中的三維磁構(gòu)型；d，磁斯格明子及磁浮子所對(duì)應(yīng)的磁相位，磁浮子具有弱的相位襯度，具體數(shù)值如圖e所示。

二進(jìn)制是計(jì)算技術(shù)中廣泛采用的一種數(shù)制，是整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)。二進(jìn)制數(shù)據(jù)是用“0”和“1”兩個(gè)數(shù)碼來表示的數(shù)。在具體的物理載體中，“0”和“1”是利用物理實(shí)體兩個(gè)可操控的物理態(tài)來實(shí)現(xiàn)的，如計(jì)算硬盤中磁疇的兩個(gè)磁化方向。2009年德國(guó)科學(xué)家在一類螺旋磁性材料中發(fā)現(xiàn)了一種具有粒子特性的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，即磁斯格明子（Skyrmion）。斯格明子具有尺寸小、穩(wěn)定性高和易操控等系列特點(diǎn)，從而可以作為基本的數(shù)據(jù)比特來構(gòu)建未來高密度、高速度、低能耗磁存儲(chǔ)器。但是長(zhǎng)久以來，斯格明子被認(rèn)為是此類材料中唯一存在的局域磁結(jié)構(gòu)，因此只能作為二進(jìn)制數(shù)據(jù)比特中的“1”或“0”一個(gè)，可以利用鐵磁態(tài)作為另一個(gè)數(shù)據(jù)比特的載體。但是，由于斯格明子本身是存在于鐵磁背景中，熱擾動(dòng)等外部因素會(huì)使斯格明子發(fā)生漂移，從而引起實(shí)際信息存儲(chǔ)中的紊亂。通過在磁存儲(chǔ)單元間構(gòu)造人工缺陷能夠限制斯格明子的無序運(yùn)動(dòng)，但無疑會(huì)增加器件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與成本。

磁拓?fù)鋺B(tài)之間的相互作用可以有效抑制它們的自發(fā)漂移，然而，同一種磁拓?fù)鋺B(tài)結(jié)構(gòu)，如磁斯格明子，很難實(shí)現(xiàn)“0”和“1”不同數(shù)據(jù)比特的分辨。因此，尋找新型局域的磁結(jié)構(gòu)是解決該難題的主要途徑。2015年，德國(guó)科學(xué)家首先理論預(yù)言在一定厚度的螺旋磁性材料中還存在一種磁結(jié)構(gòu)—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(jié)構(gòu)，可以取代鐵磁態(tài)作為數(shù)據(jù)比特“0”應(yīng)用到存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中，這種新設(shè)計(jì)可以安全避免額外的構(gòu)造人工缺陷等工藝，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

在該工作中，強(qiáng)磁場(chǎng)中心團(tuán)隊(duì)利用聚焦離子束技術(shù)制備了高質(zhì)量的納米結(jié)構(gòu)樣品，通過和德國(guó)尤利西合作團(tuán)隊(duì)多次實(shí)驗(yàn)摸索，在FeGe納米材料中利用電子全息技術(shù)首次在實(shí)空間中直接觀測(cè)到磁浮子，并且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)磁浮子可以與斯格明子共存。該研究結(jié)果不僅擴(kuò)展了手性磁體中拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的范圍，為相關(guān)的器件設(shè)計(jì)提供了很好的基礎(chǔ)。

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

該研究工作受到國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃專項(xiàng)基金、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年促進(jìn)會(huì)等經(jīng)費(fèi)資助。