新加坡科技研究局(A * STAR)和南洋理工大学(NTU)的研究人员制作出一种新型薄膜材料,可用于控制一种称为“磁斯格明子”(magnetic skyrmions)的磁自旋架构大小和密度——这种磁自旋架构是打造基于skyrmion的内存组件之关键。

A * STAR/NTU的这项最新发现已刊登于《自然材料》(Nature Materials)期刊中。该研究报告的主要作者—— 研究人员Anjan Soumyanarayanan指出,“斯格明子”(skyrmion)理论上是由英国物理学家Tony Skyrme在1962年提出的。1989年首次出现有关磁斯格明子的预测,并于2009年时被发现如同结晶材料一样存在-250℃的极低温下。

Soumyanarayanan说:“这温度真的很低,而且几乎无法使用。”

从而时起,这种材料在内存的应用一直相当激励人心,特别是在2013年经由连续的金属堆栈中发现室温skyrmion之后。他说:“那真是改写了原有游戏规则。”

Skyrmion材料的稳定性是实现未来内存愿景的一部份。就像许多新兴的内存技术一样,其潜力在于让组件能在使用更少功率的情况下容纳更多的信息。Soumyanarayanan说:“它们真的非常小,而且极其稳定。”

他并补充说,其潜力并不只是实现较小的非挥发性内存组件,而是更小一个数量级。“skyrmon甚至可能影响几十年的内存开发蓝图。”

A * STAR/NTU的研究论文中描述了研究人员如何为这些微小的skyrmion进行电气检测——这些微小颗粒状的磁性结构,比红血球更小约400倍。它们可以用磁性材料制成,而其于小尺寸时的稳定性则使其成为内存组件的理想选择。 Magnetic-Skyrmions 在均匀磁化背景下的磁斯格明子(magnetic skyrmions)数组

在一般的铁磁体中,磁矩或自旋均相互平行排列,以形成任意尺寸的均匀磁化状态。相形之下,Soumyanarayanan解释说,skyrmion则是一种尺寸受限的自旋结构。在skyrmion中心的旋转点与背景相反。以对掌方式围绕着中心旋转,并顺利地恢复至背景方向。skyrmion围绕中心旋转的自旋结构有点类似在水池中所生产的漩涡。

但是,以skyrmion的发生行为来思考可能更有用。他说,skyrmion表现的就像纳米级磁性颗粒,可以用磁性显微观察到,包括其自行组织成循序的阵序或晶格。他们可以透过电流单独制作、移动以及删除。他说:“他们就好像是棋盘上的棋子一样。”

研究人员们为skyrmion开发了一种新的多层薄膜平台,由铱(Ir)、铁(Fe)、钴(Co)和铂(Pt)分层依序堆栈。Soumyanarayanan说:“这四个分层被重复堆栈数次,以产生完整的堆栈结构。”多层膜使用溅射技术沉积在CMOS兼容的硅基底上,这是目前用于商业开发内存组件的制造工艺。

“这种材料平台让我们能直接控制磁的相互作用,藉由改变建构层的厚度,管理skyrmion的特性。这使我们得以将skyrmion的大小改变2倍,提高其稳定度与密度达10倍。”Soumyanarayanan说,它还让研究人员针对组件要求量身打造skyrmion配置,同时采用业界兼容的制造技术。研究人员还展示了环境skyrmion的电子检测,即所谓的“霍尔效应”(Hall),这也是实现组件应用所必需的。 Magnetic-Skyrmions-1 左:以Ir/Fe/Co/Pt依序堆栈的多层堆栈;右:放大其中的一个Ir/Fe/Co/Pt堆栈

A*STAR和NTU在两年多前展开了一个关于skyrmion的共同研究计划,并且花了一年多的时间进行实验和模拟,最终确认了这种特定的多层堆栈结构非常适合解决这个问题。Soumyanarayanan表示:“到目前为止,这是一种由可调谐skyrmion组成的独特材料。”

Soumyanarayanan指出,尽管全球各地的几个研究团队在2015-16年间发现了室温skyrmion,但却无法发展出可调谐的skyrmion特性或电气检测,但这却是将薄膜移至组件的关键要素。美国加州劳伦斯伯克利(Lawrence Berkeley National Laboratory;LBNL)实验室也一直在与A*STAR和NTU合作进行相关研究。

研究人员必须克服的下一个障碍是在制造组件的同时,也确保磁性的一致。Soumyanarayanan说,在纳米结构中管理skyrmion稳定性的实体机制及其读写等节,还有待完全确定,尽管他对此抱持乐观看法,但并不打算揣测时间表。“一旦我们能以更合理的电气参数,在组件中证实具确定性的读取与写入,并证实这些现象的可扩充性与可重复性,那么就意味着这项技术成熟,足以实现商用化了。”

编译:Susan Hong

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