更节能的计算机磁存储器？斯格明子带来希望！

近日，弗吉尼亚联邦大学（VCU）和加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员取得了一项重要的进展，揭示了一种全新的磁处理方法，可以为计算机和其他设备开发出更节能的磁存储部件。

这项题为《使用磁各向异性的电压控制来创建和消灭非易失性固定斯格明子》的研究成果，于 6 月 29 日发表在《自然电子》杂志上。

我们知道，磁铁一直被广泛应用于计算机存储器之中，因为其“向上”或“向下”的磁性状态可以不断“翻转”，用以写入或编码数据，并存储信息，且磁存储器属于非易失存储器，因此信息可以存储在设备上而无需刷新。但它有一个明显的缺点，那就是需要大量的能量来维持磁极翻转。

而最近几年发现的一种名为斯格明子（skyrmion）的磁性粒子，则为磁存储器的高耗能提供了一种解决方案。与传统的两极状态不同，斯格明子的磁性状态既不“向上”也不是“向下”，而是呈花状。

通过磁力显微镜成像观察到的人造设备上的斯格明粒子

VCU 工程学院博士生、论文（标题）主要作者 Dhritman Bhattacharya 说：“我们的发现证明了利用电场控制斯格明子的磁性状态的可能性，这最终可能导致更紧凑、更节能的纳米磁存储器。”

VCU 机械和核工程系教授 Jayasimha Atulasimha 博士是该论文的顾问和通讯作者。他说：“论文中概述的这一发现是未来基于这种方式开发商业上可行的磁存储器的一块基石”。

在 2016 年和 2018 年，VCU 研究人员就表明，使用斯格明子的中间磁极状态强制在“向上”和“向下”状态之间进行精确的磁跃迁，可以降低将信息写入内存的错误率，从而使设备对材料缺陷和热噪声更具鲁棒性（鲁棒性，指控制系统在一定的参数变动下，仍能维持其它性能的特性）。

他们拥有该磁性处理方法的专利权，而且《自然电子》杂志上提出的概念验证实验是制造此类设备的第一步。

这项研究由美国国家科学基金会、美国国防部、美国能源部、弗吉尼亚联邦大学、加州大学洛杉矶分校和弗吉尼亚联邦大学的 C.Kenneth and Dianne Harris Wright Virginia 微电子中心联合资助。

论文摘要

斯格明子（skyrmion）是拓扑自旋结构，可用于创建磁性存储器和逻辑设备。这些设备通常依赖于电流控制下、处于运动状态的斯格明子，但是使用固定在某一空间中的斯格明子反而可能会使磁存储设备变得更紧凑，更节能。本篇论文中，我们报告了如何使用电压控制的磁各向异性对已固定的斯格明子进行操纵。实验表明，斯格明子可以稳定在反铁磁体/铁磁体/氧化物的异质结构膜中，而不会由于交换偏置场引起任何外部磁场。而且，通过分别施加可以增加或减小垂直磁各向异性的电压脉冲，可以消灭或形成孤立的斯格明子。实验还表明，我们可以通过增加整个系统的垂直磁各向异性来从手性结构域中创造出斯格明子。该实验结果已通过微磁模拟实验得到验证。

论文传送门：https://www.nature.com/articles/s41928-020-0432-x