研究人员在硅相容磁旋流方面取得突破

磁性漩涡的艺术印象，如梅龙和反梅隆，在硅晶片上的赤铁矿独立和柔性膜中产生。图片来源：查尔斯·戈弗雷（Charles Godfrey）和哈里奥姆·贾尼（Hariom Jani）。

牛津大学物理系的研究人员在创造和设计可以与硅无缝集成的膜中的磁性漩涡方面取得了突破。这些类似飓风的磁漩涡被认为以高达每秒公里的惊人速度移动，可以用作新一代绿色和超高速计算平台的信息载体。

该研究题为“拓扑丰富的独立纳米膜中的空间可重构反铁磁态”，已发表在《自然材料》杂志上。

传统上，这些难以捉摸的漩涡只能在与硅相容性有限的材料中生产，这阻碍了它们的实际应用。通过开发一种新形式的磁性层，克服了这一障碍，这种磁性层可以从其原始晶体主体中分离出来，并转移到任何所需的平台上，例如硅晶圆。

这项工作由牛津大学物理系的Hariom Jani博士领导，他在Paolo Radaelli教授的研究小组工作，与新加坡国立大学和瑞士光源合作。

Jani博士说：“基于硅的计算对于下一代计算应用（如全尺寸人工智能和自主设备）来说太低能效了。克服这些挑战将需要一种新的计算范式，利用快速有效的物理现象来增强当前技术。

“我们一直在研究利用一类称为反铁磁体的特殊材料中的磁漩涡，这种材料比现代设备快100-1000倍。迄今为止的问题是，这些漩涡只能在与当前硅基技术不兼容的刚性晶体模板上创建，因此我们的目标是找到一种方法将这些奇异的漩涡转化为硅。

“为了实现这一目标，我们制造了赤铁矿（铁锈的主要成分，因此是最丰富的反铁磁体）的超薄结晶膜，这些膜在宏观尺寸上横向延伸，”Radaelli教授解释说。“这种膜在晶体量子材料领域相对较新，结合了块状3D陶瓷和2D材料的有利特性，同时也易于转移。

赤铁矿层生长在晶体模板的顶部，该晶体模板上涂有由水泥成分制成的特殊“牺牲层”。该牺牲层溶解在水中，很容易将赤铁矿与晶体基体分离。最后，将独立的赤铁矿膜转移到硅和其他几个理想的平台上。

该小组开发了一种新的成像技术，使用线性偏振X射线来可视化这些膜内的纳米级磁性图案。这种方法表明，独立层能够容纳一个强大的磁漩涡家族。这有可能实现超快的信息处理。

“我们最激动人心的发现之一是赤铁矿膜的极高柔韧性，”Jani博士说。

“与容易破裂的刚性陶瓷状块状膜不同，我们的柔性膜可以扭曲、弯曲或卷曲成各种形状而不会破裂。我们利用这种新发现的灵活性来设计三维磁旋流，这在以前是不可能的。在未来，这些膜的形状可以被调整，以实现3D磁路中的全新漩涡。

该小组现在正致力于开发原型设备，这些设备将使用电流来激发这些超快速漩涡的丰富动态。Jani博士总结道：“最终，这些设备可以集成到更像人脑工作的新型计算机中，我们对接下来会发生什么感到非常兴奋。

更多信息：Hariom Jani 等人，拓扑丰富的独立纳米膜中空间重构的反铁磁态，Nature Materials （2024）。DOI： 10.1038/s41563-024-01806-2