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)中心田明亮課題組研究員杜海峰和德國尤利西研究中心教授R. E. Dunin-Borkowski團隊及Nikolai S. Kiselev領(lǐng)導(dǎo)的小組形成的合作研究團隊，利用電子全息技術(shù)在準二維螺旋磁性材料FeGe納米結(jié)構(gòu)中實驗發(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。

二進制是計算技術(shù)中廣泛采用的一種數(shù)制，是整個數(shù)據(jù)存儲的基礎(chǔ)。二進制數(shù)據(jù)是用“0”和“1”兩個數(shù)碼來表示的數(shù)。在具體的物理載體中，“0”和“1”是利用物理實體兩個可操控的物理態(tài)來實現(xiàn)的，如計算硬盤中磁疇的兩個磁化方向。2009年德國科學(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撲磁結(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，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、低能耗磁存儲器。但是長久以來，斯格明子被認為是此類材料中唯一存在的局域磁結(jié)構(gòu)，因此只能作為二進制數(shù)據(jù)比特中的“1”或“0”一個，可以利用鐵磁態(tài)作為另一個數(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，熱擾動等外部因素會使斯格明子發(fā)生漂移，從而引起實際信息存儲中的紊亂。通過在磁存儲單元間構(gòu)造人工缺陷能夠限制斯格明子的無序運動，但無疑會增加器件設(shè)計的復(fù)雜性與成本。

磁拓撲態(tài)之間的相互作用可以有效抑制它們的自發(fā)漂移，然而，同一種磁拓撲態(tài)結(jié)構(gòu)，如磁斯格明子，很難實現(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)用到存儲器設(shè)計中，這種新設(shè)計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)簡單和成本低的優(yōu)點。

在該工作中，強磁場中心團隊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，通過和德國尤利西合作團隊多次實驗摸索，在FeGe納米材料中利用電子全息技術(shù)首次在實空間中直接觀測到磁浮子，并且進一步發(fā)現(xiàn)磁浮子可以與斯格明子共存。該研究結(jié)果不僅擴展了手性磁體中拓撲磁結(jié)構(gòu)的范圍，為相關(guān)的器件設(shè)計提供了很好的基礎(chǔ)。

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

該研究工作受到國家重點研究計劃專項基金、中科院重點部署項目、國家自然科學(xué)基金、中科院青年促進會等經(jīng)費資助。