中國強磁場捕獲拓撲磁渦旋，加速下一代超高速高密度存儲器量產

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，但中國科學院合肥物質科學研究院的一項最新實驗，正讓這種可能性向現實邁進一步。

研究團隊制備了一種特殊的"三明治"結構。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。當外加磁場逐漸增強時，他們發現了一個反常現象：在弱磁場區域，材料的電阻出現了周期性的振蕩，而且振幅逐漸衰減。

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

更關鍵的是，這種振蕩與材料的磁狀態緊密相關。通過精細調節FeSn層的厚度，研究人員發現只有特定厚度的樣品才會展現出這種奇特的電輸運行為。這暗示著一種全新的物理機制正在起作用。

為了揭開謎團，研究團隊祭出了"殺手锏"——一臺自制的低溫強磁場磁力顯微鏡（MFM）。這臺設備運行在中國科學院強磁場科學中心的穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）上，能夠在接近絕對零度的溫度和高達數特斯拉的磁場環境下，對材料表面的磁結構進行納米級分辨率的實時成像。

圖像揭示了真相：FeSn/Pt異質結內部形成了豐富的拓撲磁紋理。這些紋理包括磁斯格明子（skyrmions）——一種類似渦旋的納米級磁結構，其自旋排列在三維空間中形成特殊的拓撲構型。

這種現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，電子自旋與軌道運動之間產生了強耦合。這種相互作用能夠穩定住這些拓撲磁結構，使其不像普通磁疇壁那樣容易消失。

研究人員確認，正是這些拓撲磁紋理的形成與演化，導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關系。

要理解這項工作的分量，需要回顧磁電子學的發展歷程。

過去幾十年，硬盤讀寫頭和磁隨機存儲器（MRAM）主要依賴鐵磁材料。鐵磁材料具有凈磁矩，就像一個個小磁鐵，容易探測也容易操控。但它們有個致命弱點：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一步提升。

反鐵磁材料則完全不同。其內部相鄰原子的磁矩呈反平行排列，宏觀上幾乎不表現出磁性。它們抗外場干擾能力極強，而且沒有雜散場，數據存儲密度理論上可以大幅提高，切換速度也能達到飛秒量級（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，隨著自旋電子學的發展，特別是拓撲絕緣體和二維材料研究的深入，反鐵磁材料才重新進入視野。Kagome晶格（一種類似竹籃編織的六邊形網格結構）因其特殊的幾何阻挫特性，能夠產生平帶、狄拉克點等拓撲能帶結構，成為探索新奇量子物態的理想平臺。

將Kagome幾何與反鐵磁性結合，再引入拓撲磁紋理，這條技術路線被國際學術界視為下一代超高速、高密度、低能耗存儲器件的核心方案。

在這項研究中，自主研發的實驗裝置起到了決定性作用。

穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）是中國建設的重大科技基礎設施，其混合磁體能夠產生45.22特斯拉的穩態磁場，是目前全球第二高的穩態磁場強度。依托這一裝置，中國科學家開發了系列極端條件下的測量系統。

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

目前，全球多個頂尖團隊都在爭奪反鐵磁斯格明子器件的首次實用化突破。德國、日本、美國的研究組在材料體系和器件結構上有深厚積累。中國團隊的優勢在于擁有完整的鏈條：從強磁場設施、材料制備到輸運測量和顯微成像，能夠獨立完成從現象發現到機制確認的全過程。

這項工作的意義不僅在于發現了一種新現象，更在于提供了一套完整的實驗方案：如何通過界面工程調控DM相互作用，如何在反鐵磁體系中穩定拓撲磁結構，以及如何用電學方法讀取這些納米級的磁信息。這為未來設計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。

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