利用斯格明子開發超緊湊數據存儲

3月21日，新加坡科技研究局和新加坡國立大學的研究人員在《自然》發表論文，報告一種通過編碼單個斯格明子（skyrmion）來讀取和寫入信息的方式，這是實現基于斯格明子的數據存儲設備的關鍵一步，有助于開發大規模低能耗數據存儲。

斯格明子是一種復雜的漩渦狀自旋結構，具有較高的穩定性，且可以在納米尺度上進行電子控制，因此被認為是一種高速度、高密度、低能耗的信息載體，能以超緊湊介質方式存儲數據，使計算機運行速度大大加快，使硬盤體積大大縮小。

要實現信息存儲，需要利用巨磁阻效應——當對材料施加磁性時，其電阻值會發生顯著變化，電阻差在室溫下通常小于20%。而利用斯格明子進行信息存儲則需要利用隧道磁阻效應，電阻差理論上可超過100%。長期以來，阻礙斯格明子釋放潛力的一個重要因素是缺乏一種能夠確定單個自旋結構的讀出設備，科學家只能在較小的電阻差異中獲得納米級斯格明子。

三明治結構的磁性隧道結中可能出現隧道磁阻效應，上下兩層為磁性層，中間為非磁性層，上層磁性層中的電子自旋方向固定為指向上，下層是不固定方向的自由層。當自由層中的自旋指向上方時，整個結構會呈現低電阻；反之則呈現高電阻。

新加坡科學家通過施加外部磁場或電壓來引導自由層中的斯格明子，使電阻出現一個中間值，與高、低電阻之間的差異高達70%。

科學家開發新方法編碼單個斯格明子。圖片來源：Nature

磁力顯微鏡成像顯示，磁性隧道結內確實有一個斯格明子處于中間狀態——漩渦中心的自旋指向下方，邊緣的自旋指向上方。

該科研團隊表示，這種電壓驅動信息開關的數據寫入方式比電流驅動的節能1000倍，并且通過施加電壓，可以可靠地誘導斯格明子。

香港科技大學副教授邵啟明表示，這是凝聚態物理學中一項期待已久的成就。不過，該方法仍然需要外部磁場的輔助，未來需要開發無磁場輔助的最佳寫入方法。另外，磁性隧道結和斯格明子可以在人工神經網絡中扮演突觸和神經元的角色，這對非傳統計算的未來發展具有重要啟示意義。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07131-7