像水手和探險(xiǎn)家一樣，物理學(xué)家知道堅(jiān)固結(jié)的力量。

一些物理學(xué)家將他們對(duì)新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的希望與稱為skyrmions的微小結(jié)結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，這些結(jié)構(gòu)可以在磁性材料中形成。磁性skyrmions令人難以置信的微小和難以撤消，可以幫助人類對(duì)更小的電子產(chǎn)品的渴望。

在傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器上，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁區(qū)大約是最小的skyrmions的10倍。從直徑納米到數(shù)百納米，skyrmions“可能是最小的磁系統(tǒng)......可以想象或可以在自然界中實(shí)現(xiàn)，”法國(guó)Palaiseau的UnitéMixtede Physique CNRS / Thales的物理學(xué)家Vincent Cros說(shuō)。

更重要的是，skyrmions可以輕松地穿過(guò)材料，由電流推動(dòng)。磁性結(jié)的靈活性表明，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的skyrmions可以穿梭到傳感器上，該傳感器會(huì)在skyrmions經(jīng)過(guò)時(shí)讀取信息。相比之下，傳統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器通過(guò)將機(jī)械臂移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)盤片上的適當(dāng)區(qū)域來(lái)讀取和寫入數(shù)據(jù)(SN：10/19/13，第28頁(yè))。那些運(yùn)動(dòng)部件往往很脆弱，任務(wù)減慢了數(shù)據(jù)召回速度?？茖W(xué)家們希望有朝一日能夠制造出更耐用，更快速，更小巧的小玩意兒。

然而，有一件事讓人眼花繚亂：直到最近，它們才能在寒冷的天氣中創(chuàng)造和控制。當(dāng)固態(tài)物理學(xué)家Christian Pfleiderer及其同事首次報(bào)道磁性skyrmions的檢測(cè)時(shí)，在2009年的“ 科學(xué)”雜志中，使用該結(jié)是不切實(shí)際的，需要非常低的溫度約30開爾文(-243°C)。慕尼黑技術(shù)大學(xué)的Pfleiderer說(shuō)，這些都是“你說(shuō)的條件，'這對(duì)任何人都沒用”。

Skyrmions終于擺脫了寒冷，盡管它們很挑剔且難以控制?，F(xiàn)在，科學(xué)家們正在努力解決扭結(jié)問題，以創(chuàng)造具有所有所需特征的融化出來(lái)的skyrmions。與此同時(shí)，研究人員正在追逐新的種類，這可能更適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Pfleiderer說(shuō)，skyrmion領(lǐng)域已“開始發(fā)展自己的生活”。

磁鐵中的記憶

在磁性材料中，例如鐵，每個(gè)原子就像一個(gè)微小的條形磁鐵，有自己的北極和南極。這種磁化來(lái)自自旋，即原子電子的量子特性。在一個(gè)鐵磁體中，一個(gè)像冰箱上的雜貨清單那樣的標(biāo)準(zhǔn)磁鐵，原子的磁極指向同一方向(SN Online：5/14/12)。

居住在這種磁性棲息地內(nèi)的Skyrmions由原子團(tuán)組成，其磁極以螺旋狀排列。這些磁化螺旋破壞了磁體中原子的其他有序排列，就像新梳理頭發(fā)中的牛皮一樣。在一個(gè)skyrmion內(nèi)，原子極的方向扭曲，直到中心的磁化指向外部磁化的相反方向。這種扭曲難以消除，就像一個(gè)強(qiáng)大的結(jié)(SN Online：10/31/08)。因此，skyrmions不會(huì)自發(fā)消失 - 這是長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

使用各種結(jié)來(lái)存儲(chǔ)信息具有悠久的歷史。古印加人使用khipu，一種打結(jié)的繩索系統(tǒng)，以保存記錄或發(fā)送信息(SN Online：5/8/17)。在一個(gè)更現(xiàn)代的例子中，Pfleiderer說(shuō)，“如果你不想忘記某些事情，那么你就會(huì)在你的手帕上留下一個(gè)結(jié)。”Skyrmions可以延續(xù)這一傳統(tǒng)

Skyrmions是一種“準(zhǔn)粒子”，即材料中的擾動(dòng)，其行為類似于單個(gè)粒子，盡管它是許多單個(gè)粒子的集合體。盡管skyrmions是由原子組成的，它們?cè)诓牧现斜３朱o止，但是通過(guò)從一組原子滑動(dòng)到另一組原子，skyrmions可以像真正的粒子一樣四處移動(dòng)。漢堡大學(xué)的凝聚物質(zhì)物理學(xué)家克爾斯滕·馮·貝格曼說(shuō)：“磁性只是扭曲，因此出現(xiàn)了飆升。”

實(shí)際上，首先在粒子的背景下提出了skyrmions。英國(guó)物理學(xué)家托尼·斯凱爾姆(Tony Skyrme)將他的名字用于結(jié)，他在大約60年前提出，中子和質(zhì)子等粒子可以被認(rèn)為是一種結(jié)。在20世紀(jì)80年代后期，物理學(xué)家意識(shí)到支持Skyrme的想法的數(shù)學(xué)也可以代表固體材料磁化的結(jié)。

研究人員后來(lái)提出，這種skyrmions可用于未來(lái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案。一連串的skyrmions可以編碼計(jì)算機(jī)內(nèi)的位，存在表示1的skyrmion和表示0的缺席。

特別是，在2013年的自然納米技術(shù)中，Cros及其同事提出了所謂的“賽馬場(chǎng)”記憶，特別是skyrmions可能是理想的。在賽道設(shè)備中，信息保持的速度會(huì)沿著磁性納米帶加速，就像印第安納波利斯賽道上的汽車一樣。

幾年前，固態(tài)物理學(xué)家Stuart Parkin提出了賽道概念的第一版。在2008年的“ 科學(xué)”雜志上，Parkin及其同事展示了一種賽道記憶的開始，這種賽道記憶不是基于skyrmions，而是基于稱為疇壁的磁性特征，它將材料中具有不同磁化方向的區(qū)域分開。這些疇壁可以使用電流沿著軌道推動(dòng)到傳感器，傳感器將讀出其中編碼的數(shù)據(jù)。為了最大限度地利用可用空間，賽道可以直接向上和向下循環(huán)(就像狂野的馬里奧賽車騎行)，允許3-D內(nèi)存可以包裝比平板芯片更多的數(shù)據(jù)。

“當(dāng)我多年前第一次提出[賽道記憶]時(shí)，我認(rèn)為人們非常懷疑，”現(xiàn)在德國(guó)哈勒馬克斯普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的帕金說(shuō)。今天，這個(gè)想法 - 無(wú)論有沒有出現(xiàn) - 已經(jīng)流行起來(lái)。Racetrack記憶正在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，盡管該技術(shù)尚未在計(jì)算機(jī)中使用。

為了使這樣的系統(tǒng)與skyrmions一起工作，科學(xué)家需要使結(jié)在室溫下更容易糾結(jié)。對(duì)于基于skyrmion的賽道記憶與當(dāng)前技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，skyrmions必須很小并且通過(guò)材料快速輕松地移動(dòng)。并且它們應(yīng)該易于創(chuàng)建和破壞，使用像電流這樣簡(jiǎn)單的東西。這些都是崇高的要求：在一項(xiàng)要求上向前邁進(jìn)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他要求退步。但科學(xué)家們正在接近控制磁性奇跡。

加熱

Pfleiderer及其同事發(fā)現(xiàn)的第一批磁性物質(zhì)出現(xiàn)在具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的晶體中，這些晶體在相鄰原子之間產(chǎn)生扭曲。只有某些材料具有這種易于使用的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，限制了研究準(zhǔn)粒子或在溫暖條件下誘導(dǎo)它們形成的可能性。

很快，物理學(xué)家開發(fā)出一種通過(guò)在薄層中沉積材料來(lái)人為地創(chuàng)建不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的方法。不同層中原子之間的相互作用可以引起原子取向的扭曲。“現(xiàn)在，我們可以突然使用普通的磁性材料，巧妙地將它們與其他材料結(jié)合起來(lái)，并使它們?cè)谑覝叵鹿ぷ鳎?rdquo;伊利諾伊州Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家Axel Hoffmann說(shuō)。

科學(xué)家們首次在銥頂部的一個(gè)原子厚的鐵層中生產(chǎn)出這種薄膜，但溫度仍然非常低。2011年在“ 自然物理學(xué)”雜志上報(bào)道，那些薄膜出現(xiàn)需要冷卻的11開爾文(-262°C)。這是因?yàn)殍F薄膜失去了超過(guò)一定溫度的磁性，與該研究合著的馮伯格曼以及漢堡大學(xué)的納米科學(xué)家Roland Wiesendanger及其同事說(shuō)。但較厚的薄膜可以在較高溫度下保持磁性。因此，“一個(gè)重要的步驟是增加磁性材料的數(shù)量，”馮伯格曼說(shuō)。

為了變得更厚，科學(xué)家們開始堆疊各種磁性和非磁性材料的薄片，就像一個(gè)帶有重復(fù)層肉，奶酪和面包的俱樂部三明治。Cros及其同事在堆疊多層銥，鉑和鈷時(shí)創(chuàng)造了第一個(gè)小于100納米的室溫skyrmions，研究人員于2016年5月在Nature Nanotechnology報(bào)道。

通過(guò)調(diào)整材料類型，層數(shù)和厚度，科學(xué)家們可以為設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出具有理想特性的skyrmions。當(dāng)新加坡南洋理工大學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)家Christos Panagopoulos及其同事擺弄著銥，鐵，鈷和鉑的層組成時(shí)，各種各樣的物種出現(xiàn)了。將導(dǎo)致結(jié)進(jìn)來(lái)大小不同，有些人比其他人更穩(wěn)定，研究人員發(fā)表在自然材料在九月2017年

雖然現(xiàn)在科學(xué)家們知道如何制造室溫，但是直徑為幾十到幾百納米的耐熱漩渦往往太大而不是非常有用。“如果我們想要與當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，我們必須選擇尺寸小于100納米的skyrmionic對(duì)象，”Wiesendanger說(shuō)。目的是將溫暖的skyrmions降低到幾納米。

有些人試圖縮短房間溫度下降，其他人正在加快速度，以便快速閱讀和寫入數(shù)據(jù)。在2016 年Nature Materials報(bào)道的一項(xiàng)研究中，室溫下的skyrmions達(dá)到了每秒100米(每小時(shí)約220英里)的最高速度。恰恰相反，這是圍繞NASCAR驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)的最快速度。德國(guó)約翰內(nèi)斯古騰堡大學(xué)(Johannes Gutenberg University Mainz)的凝聚態(tài)物理學(xué)家MathiasKläui表示，研究結(jié)果顯示，skyrmion賽道可能確實(shí)有效。“從根本上說(shuō)，它在室溫下是可行的。”但是為了與可能達(dá)到700米/秒以上的速度超過(guò)700毫米/秒的領(lǐng)域進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，人們?nèi)匀恍枰驌籼烊粴狻?/p>

盡管取得了進(jìn)展，但還有一些挑戰(zhàn)需要解決。一個(gè)可能的問題：skyrmion的旋轉(zhuǎn)模式使其表現(xiàn)得像旋轉(zhuǎn)物體。“當(dāng)你有一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體移動(dòng)時(shí)，它可能不想直線移動(dòng)，”霍夫曼說(shuō)。“如果你是一個(gè)糟糕的高爾夫球手，你就會(huì)知道這一點(diǎn)。”Skyrmions不會(huì)像電流一樣朝著同一方向移動(dòng)，而是與它成一個(gè)角度。在賽道上，skyrmions可能撞墻而不是停留在他們的車道上?，F(xiàn)在，研究人員正在尋找能夠保持正軌的新型物種。

新的轉(zhuǎn)折

正如不止一種打結(jié)方式一樣，有幾種不同類型的skyrmions，形成各種形狀的磁性扭曲。最著名的兩種類型是Bloch和Néel。Bloch skyrmions存在于厚厚的不對(duì)稱晶體中，其中首先發(fā)現(xiàn)了skyrmions，并且Néelmyrmions傾向于出現(xiàn)在薄膜中。

“你得到的skyrmions類型與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，”德國(guó)德累斯頓Max Planck化學(xué)物理研究所的物理化學(xué)家Claudia Felser說(shuō)。Felser研究Heusler化合物，這種材料具有特殊的特性，特別適用于操縱磁性。Felser，Parkin及其同事在這種材料的薄層中發(fā)現(xiàn)了一種新型的skyrmion，一種antiskyrmion。他們于2017年8月在自然報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)。

Parkin說(shuō)，Antiskyrmions可能會(huì)避免他們的親戚面臨的一些陷阱。“潛在地，他們可以用直線移動(dòng)直線，而不是向側(cè)面移動(dòng)。”這種直射式滑翔可能更適合賽道計(jì)劃。并且觀察到的反鐵動(dòng)物在很寬的溫度范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的，包括室溫。Antiskyrmions也可能比其他類型的skyrmions縮小。

物理學(xué)家現(xiàn)在正在尋找不同領(lǐng)域內(nèi)的skyrmions：反鐵磁材料。與鐵磁材料不同 - 原子全部排列其極點(diǎn) - 在反鐵磁體中，原子的極點(diǎn)指向交替的方向。如果一個(gè)原子指向上方，則其鄰居指向下方。像反鐵磁一樣，反鐵磁性的skyrmions不會(huì)與電流成一定角度拉鏈，所以它們應(yīng)該更容易控制。Kläui說(shuō)，反鐵磁性物種也可能移動(dòng)得更快。

Kläui說(shuō)，材料科學(xué)家仍然需要找到一種具有必要特性的反鐵磁材料來(lái)形成光滑的物質(zhì)。“我希望這會(huì)在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)。”

找到結(jié)的利基

一旦skyrmions按照需要運(yùn)行，用它們創(chuàng)建賽道記憶就是明顯的下一步。“這項(xiàng)技術(shù)結(jié)合了多個(gè)世界的優(yōu)勢(shì)，”Kläui說(shuō) - 穩(wěn)定性，易于訪問的數(shù)據(jù)和低能耗要求。但Kläui和其他人承認(rèn)了skyrmion賽道記憶的未來(lái)障礙。這些研究人員表示，要在存儲(chǔ)密度，速度和成本的同時(shí)擊敗傳統(tǒng)的磁性硬盤驅(qū)動(dòng)器 - 更不用說(shuō)新型計(jì)算機(jī)中可用的閃存 - 將會(huì)很困難。

“賽道的想法，我對(duì)此持懷疑態(tài)度，”霍夫曼說(shuō)。相反，skyrmions可能在用于執(zhí)行計(jì)算的設(shè)備中很有用。因?yàn)閮H需要很小的電流來(lái)移動(dòng)skyrmions，所以這些設(shè)備可用于創(chuàng)建節(jié)能的計(jì)算機(jī)處理器。

另一個(gè)想法是使用skyrmions用于生物啟發(fā)的計(jì)算機(jī)，它試圖模仿人類的大腦(SN：9/6/14，第10頁(yè))。由于神經(jīng)細(xì)胞的大型互連網(wǎng)絡(luò)，大腦消耗的功率與燈泡一樣多，但可以執(zhí)行計(jì)算機(jī)仍然無(wú)法匹配的計(jì)算。Skyrmions可以幫助科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)這種計(jì)算，而不會(huì)削弱太多的力量。

北京北京航空航天大學(xué)的電氣工程師賽莉和他的同事們建議， 單一的一種表現(xiàn)就像一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞或神經(jīng)元。在人體中，神經(jīng)元可以從其鄰居中添加信號(hào)，逐漸在其膜上建立電壓。當(dāng)該電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，離子開始在波中穿過(guò)膜移動(dòng)，產(chǎn)生電脈沖。Skyrmions可以模仿這種行為：電流將沿著軌道推動(dòng)一個(gè)skyrmion，其中行進(jìn)的距離充當(dāng)神經(jīng)元增加電壓的模擬。研究人員于2017年7月在納米技術(shù)中提出，最后到達(dá)探測(cè)器的一個(gè)skyrmion將相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射神經(jīng)元。

通過(guò)結(jié)合大量模仿神經(jīng)元的動(dòng)畫，科學(xué)家們可以創(chuàng)造出一種能像大腦一樣運(yùn)作的計(jì)算機(jī)。

關(guān)于如何使用磁旋風(fēng)的其他想法不斷出現(xiàn)。“它仍然是一個(gè)不斷發(fā)展的領(lǐng)域，”馮伯格曼說(shuō)。“未來(lái)有幾個(gè)新想法。”

無(wú)論skyrmions是否會(huì)在未來(lái)的小工具中出現(xiàn)，漩渦都是新興電子生態(tài)系統(tǒng)的一部分。自從電力被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究人員一直關(guān)注電荷的運(yùn)動(dòng)。但物理學(xué)家現(xiàn)在正在制造一種稱為自旋電子學(xué)的新型并行系統(tǒng) - 其中skyrmions是其中的一部分 - 基于電子自旋的運(yùn)動(dòng)，即使原子具有磁性的特性(SN Online：9/26/17)。通過(guò)研究skyrmions，研究人員正在擴(kuò)大他們對(duì)旋轉(zhuǎn)如何穿過(guò)材料的理解。

就像一個(gè)摸索著鞋帶的幼兒園學(xué)生一樣，學(xué)習(xí)如何將結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)打結(jié)是一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。