探索宇宙奧秘 · 理性思考

你的硬盤在未來或許會變得更快、更省電，容量增加上千倍。這聽起來像科幻，但中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的一項(xiàng)最新實(shí)驗(yàn)，正讓這種可能性向現(xiàn)實(shí)邁進(jìn)一步。

研究團(tuán)隊(duì)制備了一種特殊的"三明治"結(jié)構(gòu)。他們將反鐵磁Kagome材料FeSn（鐵錫化合物）與重金屬Pt（鉑）貼合在一起。當(dāng)外加磁場逐漸增強(qiáng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)反常現(xiàn)象：在弱磁場區(qū)域，材料的電阻出現(xiàn)了周期性的振蕩，而且振幅逐漸衰減。

這種表現(xiàn)與物理學(xué)家熟悉的舒布尼科夫-德哈斯振蕩（Shubnikov-de Haas oscillations）截然不同。后者通常出現(xiàn)在強(qiáng)磁場、低溫環(huán)境下，源于電子在磁場中形成的朗道能級量子化。而這次的振蕩發(fā)生在低磁場區(qū)，行為模式也完全不符合傳統(tǒng)理論預(yù)期。

更關(guān)鍵的是，這種振蕩與材料的磁狀態(tài)緊密相關(guān)。通過精細(xì)調(diào)節(jié)FeSn層的厚度，研究人員發(fā)現(xiàn)只有特定厚度的樣品才會展現(xiàn)出這種奇特的電輸運(yùn)行為。這暗示著一種全新的物理機(jī)制正在起作用。

為了揭開謎團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)祭出了"殺手锏"——一臺自制的低溫強(qiáng)磁場磁力顯微鏡（MFM）。這臺設(shè)備運(yùn)行在中國科學(xué)院強(qiáng)磁場科學(xué)中心的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）上，能夠在接近絕對零度的溫度和高達(dá)數(shù)特斯拉的磁場環(huán)境下，對材料表面的磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行納米級分辨率的實(shí)時(shí)成像。

圖像揭示了真相：FeSn/Pt異質(zhì)結(jié)內(nèi)部形成了豐富的拓?fù)浯偶y理。這些紋理包括磁斯格明子（skyrmions）——一種類似渦旋的納米級磁結(jié)構(gòu)，其自旋排列在三維空間中形成特殊的拓?fù)錁?gòu)型。

這種現(xiàn)象源于界面處的一種特殊相互作用，稱為Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用。由于FeSn與Pt的接觸打破了空間反演對稱性，電子自旋與軌道運(yùn)動(dòng)之間產(chǎn)生了強(qiáng)耦合。這種相互作用能夠穩(wěn)定住這些拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，使其不像普通磁疇壁那樣容易消失。

研究人員確認(rèn)，正是這些拓?fù)浯偶y理的形成與演化，導(dǎo)致了觀測到的異常磁阻振蕩。這是首次在反鐵磁Kagome體系中建立起這種直接的對應(yīng)關(guān)系。

要理解這項(xiàng)工作的分量，需要回顧磁電子學(xué)的發(fā)展歷程。

過去幾十年，硬盤讀寫頭和磁隨機(jī)存儲器（MRAM）主要依賴鐵磁材料。鐵磁材料具有凈磁矩，就像一個(gè)個(gè)小磁鐵，容易探測也容易操控。但它們有個(gè)致命弱點(diǎn)：對外部磁場敏感，相鄰比特之間還存在雜散場干擾，這限制了存儲密度的進(jìn)一步提升。

反鐵磁材料則完全不同。其內(nèi)部相鄰原子的磁矩呈反平行排列，宏觀上幾乎不表現(xiàn)出磁性。它們抗外場干擾能力極強(qiáng)，而且沒有雜散場，數(shù)據(jù)存儲密度理論上可以大幅提高，切換速度也能達(dá)到飛秒量級（比鐵磁材料快一千倍）。

反鐵磁材料很難被探測和操控。直到近年來，隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，特別是拓?fù)浣^緣體和二維材料研究的深入，反鐵磁材料才重新進(jìn)入視野。Kagome晶格（一種類似竹籃編織的六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）因其特殊的幾何阻挫特性，能夠產(chǎn)生平帶、狄拉克點(diǎn)等拓?fù)淠軒ЫY(jié)構(gòu)，成為探索新奇量子物態(tài)的理想平臺。

將Kagome幾何與反鐵磁性結(jié)合，再引入拓?fù)浯偶y理，這條技術(shù)路線被國際學(xué)術(shù)界視為下一代超高速、高密度、低能耗存儲器件的核心方案。

在這項(xiàng)研究中，自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置起到了決定性作用。

穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）是中國建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，其混合磁體能夠產(chǎn)生45.22特斯拉的穩(wěn)態(tài)磁場，是目前全球第二高的穩(wěn)態(tài)磁場強(qiáng)度。依托這一裝置，中國科學(xué)家開發(fā)了系列極端條件下的測量系統(tǒng)。

這次使用的自制低溫強(qiáng)磁場磁力顯微鏡，就是SHMFF的"獨(dú)門武器"之一。國際上能夠開展這類極端條件下原位成像的實(shí)驗(yàn)室屈指可數(shù)。這種硬件能力，加上在材料制備（分子束外延生長高質(zhì)量FeSn薄膜）和理論分析方面的積累，使得中國團(tuán)隊(duì)能夠在激烈的國際競爭中占據(jù)有利位置。

目前，全球多個(gè)頂尖團(tuán)隊(duì)都在爭奪反鐵磁斯格明子器件的首次實(shí)用化突破。德國、日本、美國的研究組在材料體系和器件結(jié)構(gòu)上有深厚積累。中國團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢在于擁有完整的鏈條：從強(qiáng)磁場設(shè)施、材料制備到輸運(yùn)測量和顯微成像，能夠獨(dú)立完成從現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)到機(jī)制確認(rèn)的全過程。

這項(xiàng)工作的意義不僅在于發(fā)現(xiàn)了一種新現(xiàn)象，更在于提供了一套完整的實(shí)驗(yàn)方案：如何通過界面工程調(diào)控DM相互作用，如何在反鐵磁體系中穩(wěn)定拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，以及如何用電學(xué)方法讀取這些納米級的磁信息。這為未來設(shè)計(jì)基于反鐵磁斯格明子的存儲器和邏輯器件奠定了物理基礎(chǔ)。

Liu, X., et al. (2025). Anomalous Magnetoresistance in an Antiferromagnetic Kagome Semimetal Heterostructures. Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.202519240