具有独特性质的纳米结构

许多磁性材料可以产生称为斯格明子的纳米级涡流。PSI 的研究人员首次设法创建和识别具有独特性质的反铁磁斯格明子：其中的关键元素以相反的方向排列。科学家们已经成功地利用中子散射将这种现象可视化了。他们的发现是朝着开发潜在的新应用(例如更高效的计算机)迈出的重要一步。研究结果今天发表在《自然》杂志上。

材料是否具有磁性取决于其原子的自旋。将自旋视为微型条形磁铁的最佳方式。在原子在晶格中具有固定位置的晶体结构中，这些自旋可以以纵横交错的方式排列或像罗马军团的长矛一样全部平行排列，具体取决于单个材料及其状态。

在某些条件下，可以在自旋群内产生微小的漩涡。这些被称为斯格明子。科学家们对斯格明子特别感兴趣，因为它是未来技术的关键组成部分，例如更高效的数据存储和传输。例如，它们可以用作内存位：skyrmion可以表示数字 1，而没有数字 0。由于斯格明子比传统存储介质中使用的比特小得多，因此数据密度要高得多，而且可能更节能，同时读写操作也会更快。因此，Skyrmions 可用于经典数据处理和尖端量子计算。

该应用的另一个有趣方面是，可以通过施加电流在许多材料中创建和控制斯格明子。PSI 研究小组负责人 Oksana Zaharko 解释说：“然而，对于现有的斯格明子，很难将它们从 A 系统地移动到 B，因为由于它们的固有特性，它们往往会偏离直线路径。”

与来自其他机构的研究人员合作，Zaharko 博士和她的团队现在创造了一种新型的斯格明子，并展示了一个独特的特征：在它们的内部，临界自旋以相反的方向排列。因此，研究人员将他们的斯格明子描述为反铁磁性。

在从 A 到 B 的直线上

“反铁磁斯格明子的主要优势之一是它们更易于控制：如果施加电流，它们会沿简单的直线移动，”Zaharko 评论道。这是一个主要优势：要使斯格明子适用于实际应用，必须可以选择性地操纵和定位它们。

科学家们通过在定制的反铁磁晶体中制造它们，创造了他们的新型斯格明子。Zaharko 解释说：“反铁磁性意味着相邻的自旋处于反平行排列，换句话说，一个指向上方，下一个指向下方。因此，最初观察到的物质特性是我们随后在单个斯格明子中确定的。”

在反铁磁斯格明子成熟到足以用于技术应用之前，还需要几个步骤：PSI 研究人员必须将晶体冷却至负 272 摄氏度左右，并施加 3 特斯拉的极强磁场——大约是地球磁场强度的 100,000 倍场地。

中子散射以可视化斯格明子

研究人员还没有创造出单独的反铁磁斯格明子。为了验证微小的漩涡，科学家们正在 PSI 使用瑞士散裂中子源 SINQ。“在这里，如果我们在特定材料中以规则模式有很多斯格明子，我们可以使用中子散射将斯格明子可视化，”Zaharko 解释说。

但这位科学家很乐观：“根据我的经验，如果我们设法以常规方式创建斯格明子，很快就会有人设法单独创建这样的斯格明子。”

研究界的普遍共识是，一旦可以在室温下创建单独的反铁磁斯格明子，就离实际应用不远了。

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