研究人員近日在《自然》發(fā)表論文，報(bào)告了一種通過編碼單個(gè)斯格明子（skyrmion）來讀取和寫入信息的方式。這是實(shí)現(xiàn)基于斯格明子的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的關(guān)鍵一步，有助于開發(fā)大規(guī)模低能耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

斯格明子是一種復(fù)雜的旋渦狀自旋結(jié)構(gòu)，具有較高的穩(wěn)定性，且可以在納米尺度上進(jìn)行電子控制，因此被認(rèn)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(zhì)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，大大加快計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，并使硬盤體積大大縮小。

要實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，需要利用巨磁阻效應(yīng)——當(dāng)對(duì)材料施加磁性時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)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(jìn)行信息存儲(chǔ)則需要利用隧道磁阻效應(yīng)，電阻差在理論上可超過100%。

長(zhǎng)期以來，阻礙斯格明子釋放潛力的一個(gè)重要因素是缺乏一種能夠確定單個(gè)自旋結(jié)構(gòu)的讀出設(shè)備，科學(xué)家只能在較小的電阻差異中獲得納米級(jí)斯格明子。

研究人員已經(jīng)知道，三明治結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)中可能出現(xiàn)隧道磁阻效應(yīng)，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指向上，下層是不固定方向的自由層。當(dāng)自由層中的自旋指向上方時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)低電阻；反之則呈現(xiàn)高電阻。

在這項(xiàng)研究中，新加坡科技研究局和新加坡國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家通過施加外部磁場(chǎng)或電壓來引導(dǎo)自由層中的斯格明子，使電阻出現(xiàn)一個(gè)中間值，與高、低電阻之間的差異高達(dá)70%。

磁力顯微鏡成像顯示，磁性隧道結(jié)內(nèi)確實(shí)有一個(gè)斯格明子處于中間狀態(tài)——旋渦中心的自旋指向下方，邊緣的自旋指向上方。

科研團(tuán)隊(duì)表示，這種電壓驅(qū)動(dòng)信息開關(guān)的數(shù)據(jù)寫入方式的能耗僅為電流驅(qū)動(dòng)能耗的1/1000，并且通過施加電壓，可以可靠地誘導(dǎo)斯格明子。

中國(guó)香港科技大學(xué)副教授邵啟明表示，這是凝聚態(tài)物理學(xué)中一項(xiàng)期待已久的成就。不過，該方法仍然需要外部磁場(chǎng)的輔助，未來需要開發(fā)無磁場(chǎng)輔助的最佳寫入方法。另外，磁性隧道結(jié)和斯格明子可以在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中扮演突觸和神經(jīng)元的角色，這對(duì)非傳統(tǒng)計(jì)算的未來發(fā)展具有重要啟示意義。

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