在含铁材料中检测到超小磁涡流

微电子构成了当今许多现代技术的基础，包括智能手机、笔记本电脑甚至超级计算机。它基于允许和阻止电子流过材料的能力。自旋电子学或自旋电子学是一个衍生产品。它基于电子的自旋，以及电子自旋与电荷一起产生磁场的事实。

美国能源部(DOE)材料科学部组长CharudattaPhatak表示：“这一特性可用于构建未来计算机内存存储、类脑和其他新型计算系统以及高效微电子学的构建模块。)阿贡国家实验室。

包括阿贡和国家高磁场实验室(MagLab)研究人员在内的一个团队在铁、锗和碲的磁性材料中发现了惊人的特性。这种材料呈薄片状，厚度只有几个到10个原子。它被称为二维铁磁体。

该团队发现，两种磁场可以在这种超薄材料中共存。科学家称它们为merons和skyrmions。它们就像微型漩涡风暴系统，点缀在铁磁体的平坦地形上。但它们的大小和旋转行为不同。

已知和研究了大约15年，skyrmions的大小约为100纳米——大约与单个病毒分子相同——它们的磁场以复杂的模式流动，类似于绳结中的绳索。直到最近才发现，merons的大小大致相同，并且具有像漩涡一样旋转的磁场。

“skyrmions和merons都非常稳定，因为它们就像牢牢打结的结一样，很难解开，”在MagLab和佛罗里达州立大学联合任职的LuisBalicas说。“这种稳定性及其磁性使它们成为信息载体具有吸引力。”

该团队是第一个在-280至-155华氏度的低温下同时在薄膜中观察到这两种磁性结构的团队。此外，merons在室温下仍然存在，这是在实际设备中利用它们的一个重要考虑因素。过去，它们只在低得多的温度下在不同的材料中被观察到。

该团队还表明，通过测量电压，可以从它们对施加电流的影响中检测到斯格明子和merons。此功能意味着它们适用于所有数字计算机中使用的二进制代码。该代码由1和0的组合组成。在自旋电子设备中，1将由检测到skyrmion或meron的电信号指示。没有电信号会传达0。

在不到10个原子厚的薄膜中检测和表征不同的磁性结构需要一种特殊的科学工具。阿贡物理学家YueLi使用称为洛伦兹透射电子显微镜(TEM)的仪器领导了这项具有挑战性的任务。该显微镜包括像差校正技术以提高其分辨率。该TEM可以在很宽的温度范围内在不同磁场下以纳米级可视化材料的磁化，这是阿贡大学的一项独特能力。范围从负280华氏度到室温。

该团队在美国能源部科学办公室用户设施阿贡纳米材料中心进行了额外的磁性和其他成像。

“需要更多的基础研究来充分了解skyrmions和merons在不同条件下的行为，以及如何将它们用于编码信息，”Balicas说。“那里有许多看似科幻的计划。我们无法预测未来，但似乎有一个或多个可能会实现。”