磁性量子材料为下一代计算架构提供新方向

FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH/NIKOLAI KISELEV

磁性材料中的结可能为下一代计算架构提供一个新的发展方向。为此，研究人员现在创造了一种新颖的磁性结，看起来像肉桂扭曲的微小磁化版本。同样的磁节——嵌入磁性材料中，有点像嵌入半导体晶格中的电子空穴——可能是打破当今计算所陷入的二维平面的因素之一。

拓扑特性因其坚固性而引人注目：如果不对足球施加一些暴力，就无法将其变成呼啦圈。在真实材料中，拓扑可以用来描述磁化的形状。当晶体内部的磁矩扭曲成拓扑复杂的结时，它们无法轻易解开，这使它们成为非常稳定的潜在信息或数据存储载体。现在，德国、中国和瑞典的研究人员在一种材料内部创造了一种新型的磁节，与以前的拓扑扭曲不同，这种磁节可以在所有三维空间中移动。

“在过去的几十年里，电子学基本上是在二维系统的范式中发展起来的，”德国于利希的彼得·格吕恩伯格研究所的科学家Nikolai Kiselev说，“从某种角度来看，这是绝对合理的，因为从技术上讲，制造和维护此类设备要容易得多。但如果我们展望未来，很可能要使我们的设备成为最高效的设备，在某个时候，我们将不得不转向三维架构。这就是我们在论文中的发现可能会变得有用的地方。”

Kiselev说，他们的发现令人惊讶，尽管他和他的合作者已经研究了几十年材料内部的磁性扭曲。在多种材料中已经观察到一种被称为skyrmion的拓扑激发。当某些材料的圆盘被磁场刺穿时，它们会弹出Skyrmions。它们类似于样本中原子磁矩的漩涡，从圆盘的底部一直到顶部，就像一根无法解开的螺旋线。这些也因其计算潜力而备受关注。但是，由于它们像绳子一样的性质，它们只能在两个维度上移动。

该团队想创造一种被称为skyrmion bag的东西——一种中间有一个洞的圆柱形skyrmion，可以包裹其他规则的skyrmion。相反，他们创造了一个完全不同的东西——一个hopfion。hopfion不是从样品的顶部延伸到底部，而是靠近自己，就像一个横向的Whirpol扭曲成甜甜圈。由于其结构，hopfion不仅可以左右移动，还可以上下移动。Hopfions在理论上已经被预测，但它们只是在一种特殊的合成材料中产生的。这是它们第一次出现在普通水晶中。

FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH/NATURE

这种晶体是铁锗，之所以选择它，是因为它将两种特性完美地结合在一起。一方面，铁锗内部的原子具有磁矩，倾向于与它们的邻居对齐。另一方面，晶体本身的结构促使磁矩相对于其邻居旋转。这两种效应的相互作用使得有趣的磁节能够在不同的条件下弹出。

只要将铁锗置于磁场中，材料中就会产生skyrmions。然而，为了获得hopfion，团队必须进行一些精心的磁性运动。他们从一个指向上的小磁场，转移到指向下的更小的磁场，然后再次向上，增加到其原始值。结果并不是预期的skyrmion bag，而是围绕着几个skyrmion组成的三维hopfion环。Kiselev说，它们可以被刺激沿着skyrmion弦上下移动，而不会损失任何能量。并且，Skyrmion可以被诱导在二维中移动，并拖动hopfion。

Skyrmions已被提议作为所谓赛道架构中的存储设备。通过将skyrmion从赛道的一个边缘移动到另一个边缘，可以存储和传输一位信息。由于与传统存储设备相比，skyrmions非常小，因此磁扭曲也可能成为高密度存储设备的基础。其他建议包括使用skyrmion在特定gate的到达时间来同时编码多个信息位，这可能对神经形态计算有用。由于hopfion在3D中移动，它们可能会在多个轴上对其位置或到达时间中的多个信息位进行编码。此外，hopfion可能不会像skyrmions那样存在技术缺陷。

Argon国家实验室的科学家Hanu Arava没有参与这项工作，他说：“我们在将skyrmion纳入技术应用方面遇到困难的原因之一是skyrmion霍尔效应。这种效应使得沿着直线驱动Skyrmion变得非常困难。这种效应在Hopfion中是不可预期的，这意味着我们可以将Hopfion从a点直线发送到B点。因此，可以想象一种新的受大脑启发的计算，可能需要Hopfion将其从一个位置移动到另一个位置。”

尽管hopfion很容易移动，但其计算潜力的其他方面仍不确定。该团队使用透射电子显微镜对hopfion进行成像，更有效地测量其位置是一个悬而未决的问题。该团队表示，他们计划研究这些物体对电流的反应，这有助于检测和跟踪它们。此外，关于hopfion编码信息的确切方式的确切细节仍然是一个悬而未决的问题。

尽管如此，Kiselev补充道，许多像这样的问题还没有答案。“我们以前甚至没有想过这种物体，它非常、非常新鲜，在某种程度上也让我们感到非常惊讶，充满了一些神秘和未知的问题。” Arava对此表示赞同：“我们必须把这个结果视为第一步，因为还有很多悬而未决的问题。然而，这一发现打开了3D磁性物体的世界。”

研究人员上个月在《自然》杂志（https://www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5）上发表了他们的研究成果。