磁 Skyrmion 有了烟火气 | Ising专栏

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如果说现代生活主要依赖于两类物理之源：一是电，一是光，大概没有多少人会反对。便是醉心于自旋电子学的聪慧磁学人，也不大会因磁性被排名于后而愤愤不平。与电学相关的科技应用，之所以能如螃蟹一般横行左右，除了发电、输电相对便宜直接外，大多数电学效应在能标上远比自旋效应强悍、易控，也是原因之一。更为重要的是，自然界有易于加工制造的导体和绝缘体材料，给了人类随意引导电荷流动的便利，也给了人类进行电荷探测、操控、存储的便利。电荷独一无二的正负属性和屏蔽中和 (物理人称之为示零效应)，让电的运用比所有其它效应都更强、更好、更精。因此，未来科技，离开“电”，大概难以很好地生存壮大。

目前看来，唯一有可能与“电”竞争、并分得一杯羹的，就是“光”了。光，虽是通过磁性与电性组合成电磁波而生，但依然难以离开电性。光，胜在传播输运的稳、准、快，就如激光。但，光，依然是电的下家！这样说来，现代文明生活，电乃王范 (King style)，无与争锋者！也因此，所有以应用为出口的物质科学效应，最终都须落脚于“可电探测”和“可电操控”上。很显然，要坐实这一 claim，无需拿卡住国人“脖子”的集成电路与芯片来举例⸺它们主要依赖电效应，对吧？！

不过，在数据存储这一偌大领域内，电荷的攻城掠地却不是那么成功。磁性或自旋电子学，在这一领域依然占据主导地位。Ising 是磁学外行，经常对此感到疑惑：自旋这个东西，为何那么顽强？从古时的指南针，到今天的磁记录、存储、探测等，要么是少年得志、要么是风韵犹存！除了磁性探测操控可“凭空而行”这一天生优势外，应该还有其它原因使得其在信息存储这一高地上与电学友好共存、争奇斗艳。Ising 愚钝、开窍得晚，隐约以为，信息的加工处理，需要“存储”和“输运”两个功能。一个信息载体 (如硬盘或 CPU)，既要能存储电荷，同时还要能输运电荷，可不是容易的事情。虽然物理人宣称铁电体亦可双肩挑，但因为一些本文暂且不论的问题，铁电存储目前还在成长之路上。磁存储，依然是信息存储的老大和主体，虽然各种半导体电荷存储处理的方案也若百花齐放。

为什么当下的磁存储还具有优势呢？首先，磁存储载体 (磁盘、磁性随机存储器 MRAM 之磁介质) 基本上是磁性导体或窄带隙半导体，以满足用自旋 (磁矩) 记录信息、用电荷之流 (通过电子与局域自旋互作用) 来读写信息的需要。即便是所谓的纯自旋流，大多亦是电荷输运的作品。这样做，磁存储器中信息存放与读写功能就被自旋和电荷分别实现。目前，还真没有一个载体能单独利用电荷实现存储 / 读写于一体、且效果堪比磁存储。

既然磁存储目前依然不可替代，则本文的主题就变成了：任何磁存储器工作的方案，最后都要能做到电探测和电操控！对，电、探测、操控！这，才是接地气、有烟火的科技 (先扣一回题目^_^)。

事实上，过去许多年，自旋电子学的主体，都在围绕这一主题开疆破土。磁学和自旋电子学的人们，从最初磁盘中用电流线圈“电磁感应”读写，飞跃到 GMR / TMR 磁存储读取，再到 STT、SOT、magnon 学等读写过程的万水千山，及至笔者从我国一大批自旋电子学杰出学者那里听来的数十种自旋电子学存储读写器件方案，让读者和笔者感受到他们为提升磁存储器性能和降低功耗而呕心沥血的脉络。

图 1. 江万军他们展示的磁 skyrmions 的运动。

磁畴线从左边经过一个几何限制的通道，到达右边成为一个一个的 skyrmion 或 bubble。其中，每个黑色点即一个 skyrmion。这个视频，应该是万军老师在米国阿贡时的作品。

From 江万军他们多年前的实验视频。https://www.anl.gov/article/argonne-scientists-announce-first-roomtemperature-magnetic-skyrmion-bubbles。

这一脉络之其中一个分支，正若浊浪滔天般，流向磁 skyrmion！

作为一个实空间自旋构型的准粒子态，磁 skyrmion 在凝聚态物理、量子材料和自旋电子学三大领域都得到垂青和重视。有关这一物理研究对象，《量子材料》公众号断断续续刊发过一些简单科普文，如《舞起磁性 Skyrmion》、《磁斯格明子的封地》、《多一维磁斯格明子》，感兴趣读者可点击而前往御览。简单梳理一下，即可知晓，这种实空间的准粒子在不同学科领域有不大一样的涵义和意义：

(1) 在传统凝聚态物理层面，磁 skyrmion 是一种新的准粒子，且是实空间难得的一种局域拓扑结构 (沿面外方向是一根长度可长可短的“线”，在此不论)。研究这一非平庸拓扑结构的热力学、结构、动力学、产生与湮灭，是其赋予凝聚态物理的内涵。而此类局域拓扑形态，是超越磁畴壁这种“古老”拓扑缺陷的一类新缺陷，故而成为介观缺陷物理的一个新课题。

(2) 在量子材料层面，磁 skyrmion 是阻挫磁性的一种低能态，蕴含若干新的量子物理效应，如自旋手性、k 空间贝里相位、拓扑荷、磁阻、反常霍尔效应、自旋波互作用、外场驱动等。每一种效应，都是量子材料的一个小分支，正各自成长、发展、变异。

(3) 在自旋电子学层面，磁 skyrmion 最引人注目之处，在于可替代传统磁畴壁承载的存储读写功能，为高端自旋电子学器件服务。磁存储读写的微观过程，传统意义上是通过铁磁 (亦或反铁磁) 畴壁的快速运动来实现。磁畴壁，虽亦是一种拓扑缺陷，但这一缺陷在空间上呈现三维伸展形态 (畴壁本身是二维的，但二维网的曲张运动所划过的，是三维空间)。其有效质量大、运动迁移率受限、驱动损耗大。因此，通过电荷运动携带的自旋矩信号 (包括 STT、SOT 等) 去驱动畴壁运动，不是一件容易的任务。反过来，磁 skyrmion 在克服运动损耗大和运动慢等问题上，被寄予厚望。原因在于，在物理本质上，一个一维线状拓扑准粒子，即这里的磁 skyrmion，其运动的确要丝滑很多、快很多、损耗也小很多 (虽然到目前为止实测数据很少)。更有甚者，将这一 skyrmion 与 S. S. Parkin 博士的赛道 (race - track) 存储方案组合起来，能使得磁 skyrmion 如宇宙黑洞一般：飞光扑黑 (磁引力之无底洞)。

磁 skyrmion，被这三大领域的物理人赋予诸多期望，催动了人们纷纷涌进这一主题。事实上，国内磁学和自旋电子学的强势课题组们都纷纷进场、取得佳绩。当然，笔者写读书笔记，更多笔力是放在梳理物理脉络和存在的问题，为拥有烟火气做准备，本篇亦是如此。经过一番囫囵吞枣、临时抱佛脚，笔者能感觉到这些年大浪淘沙，已将磁 skyrmion 雕琢得精致奢华，虽然面向应用还存在问题。如下，笔者就开始天马行空，反正是读书笔记^_^：

(1) 形态鲁棒性。这一特性，最被人称道，因为 skyrmion 是一个局域的非平庸拓扑结构，应具鲁棒性 (robustness)。事实上，从最早的磁场 - 温度相图中那一丢丢 skyrmion 相区，到后来通过界面引入类 SOC (spin - orbital coupling) 效应而诱发 skyrmion，再到应变操控、开关 skyrmion，如此等等，我们外行看到的更多是物理人在小心呵护着这些 skyrmion，生怕它们跑了、消失了或变得畸变丑陋了。如此这般，哪里是孟夫子渲染的“故天将降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为，所以动心忍性，曾益其所不能”？！让笔者这个看热闹的外行感觉有那么点“瞎折腾 skyrmion”意思的，当属目前供职于清华大学的江万军老师他们的结果 (图 1 所示算是一个例子)。他用动态观测视频显示，如何像吹气泡那样将磁 skyrmion 吹吹吹、吹得样品内到处都是。然而，他的那些气泡即便到处随机行走，但形态依然保持、没有消失或蜕变，依然还是 skyrmion。另外一个例子，来自华南师范大学侯志鹏博士他们。在那里，他们看到的 skyrmions，在应对内在和外来干扰时，依然稳坐钓鱼台。但是，实话说，对这些 skyrmions 进行“百般蹂躏和折磨”的实验结果并不多！您说它们拓扑鲁棒，那就请使劲折腾它们，然后给我们读者看看它们能被畸变到什么程度而依然初心不改^_^！

(2) 动力学易驱动。物理人在描述磁畴壁和铁电畴壁运动方面颇为成功，各种动力学规律被如数家珍。这些规律简单明了，物理原因如前所述，在于此类畴壁是一类“有效质量”很大的拓扑缺陷态。在中低磁场、电场驱动下，这些重家伙的动力学必定以线性或者拓展一些的线性动力学为主。也就是说，有效质量是物理规律简单与否的试金石之一。反过来，磁 skyrmion 在维度上比畴壁低了一维、有效质量一下子小了很多，其快速、灵活的特性自出必然；它运动所需驱动力小、损耗小的优点，亦是有章可循的，阿门！遗憾的是，到目前为止，在器件层面，还没有足够的实验证实磁 skyrmion 的驱动电流比驱动传统磁畴壁的电流有大幅度下降。

(3) 运动随机性。这是“动力学易驱动”这一优点的对立面、或双刃剑之另一刃。如前文提及，电学器件最大的优势，在于可通过电流通道去约束电信号，实现可靠读写操控，不存在宏观随机性。而磁 skyrmion 作为小质量的准粒子，这轻飘飘的劲头，易于驱动却也易于随机。这，也是为何万军老师展现的那些个 skyrmion 泡泡点如醉汉一般摇摇晃晃的原因。如电学一般，构建可靠的约束或者机制，来规范磁 skyrmion 的运动轨迹，就变得非常重要。

(4) 霍尔效应。磁 skyrmion 运动与电荷运动一般，也有类似的霍尔效应。物理人已揭示出，这种效应可能是非平庸拓扑磁结构在电流驱动下产生 Magnus 力所致。笔者不懂其中奥妙，但雾里看花是可以的。所谓 Magnus 力，可从经典物理概念去表面化类比理解：磁 skyrmion 中的自旋分布，具有非共线的螺旋结构特征。当流动的电子通过 skyrmion 躯体时，电子自旋与 skyrmion 中螺旋分布的自旋互作用，导致电子自旋亦旋转。这种旋转，反向对冲 skyrmion 躯体，形成转动动量，即横向的 Magnus 力。从可控信息存储角度看，这样的横向运动是有害的，必须抑制。物理人尝试了很多方法，其中一个“杀鸡用牛刀”的方法是，换成反铁磁 skyrmion！其中两个嵌套在一起的亚 skyrmion 之横向力会对冲相消。相关细节，读者可参考相关文献，在此不论。

图 2. 磁性存储器的一些基本概念示意。

(A) 一个标准的、依赖于磁性隧道结 (MTJ) 的磁存储单元结构。其中间的多层四方柱状结构即 MTJ 单元，上下黄色和红色条状结构是读写电极。在这个单元中，如果下磁性层 (标有上下白色箭头，表述磁矩 M 方向) 换成含有磁 skyrmion 的磁介质，即成基于磁 skyrmion 的MTJ。(B) 一个典型的隧道结微加工器件图。(C) 江万军他们采用的多层膜 MTJ 单元之组成与结构。(D) 万军他们的 MTJ 实物图片。(E) 万军他们测量得到的 MTJ磁阻特性。

(A) & (B) From https://intermag.mat.ethz.ch/research/spintronics/perpendicular-sot-mtj.html。(C) ~ (D) From https://www.nature.com/articles/s41535-024-00655-1。

无论是针对磁 skyrmion 之优势与特色，还是针对其存在的问题 / 现象，物理人开展了诸多研究。有意思的是，这些研究多以发现 skyrmion 材料、发现 skyrmion / biskyrmion 产生与湮灭、研发 skyrmion 成像表征技术 (洛伦兹电子显微成像、MFM 成像)、表征磁信号和霍尔信号为主导，都是高大上的研究。拓展看去，做成 MTJ 器件原型，直接进行电测量、操控的工作并不多。在 Ising 看来，关于磁 skyrmion，相对接地气、有烟火气的工作已迫在眉睫。未来几年，如果走向实际磁存储器件的工作、直接电探测与操控的工作，还不能如潮水般涌现，就会给人不够“未雨绸缪”之感。

需要指出，即便磁 skyrmion 具有一系列新颖的特征与伴随物理，但如果没有可资利用的、排他性的清晰电学特征，以为电探测和操控提供某种物理“基因”标记，就是一个问题，也就是缺乏烟火气的原因。立足于磁 skyrmion 的电学探测操控工作不多，一个原因即是如此。也就是说，哪一种可测的电信号，是磁 skyrmion 所独有的？

对这一问题的回答，可能是磁 skyrmion 走向磁存储应用的 core issue。依目前了解：霍尔信号，不唯一！反常霍尔效应，不唯一。非线性霍尔信号，不知道！

既然一时没有绝招，那就先回归起点，去看看在最简单直接的器件结构中，磁 skyrmion 会展示些什么！磁存储最基本的器件结构单元，是 MTJ (magnetic tunneling junction)，如图 2(A) 所示。具体到一个磁 skyrmion 的 MTJ，其结构大约是将磁性自由层 (free layer, 沟道) 可运动的磁畴壁换成 skyrmion。这样的 MTJ 结构，是标准器件操作，基于此的磁性存储器制造也有较为成熟的制造技术，其中一种器件实物示于图 2(B)。

OK，现在，应该可以对这一最直接简单的结构进行电探测和操控研究了，对吧？！其实不然，据笔者所知，包含磁 skyrmion 的 MTJ 及其表征测量较为少见 (实际上 Ising 是想说“还没有”，只是尚无文献调研的底气)。现在，这样的有无之问，已不再存在，因为清华的江万军老师他们已经完成了这一探索。万军老师似乎长期致力于磁性 skyrmion 的研究，也长期致力于自旋电子学器件的研制，在微加工技术层面亦有深厚积淀。诸如电子束曝光、微纳器件集成操控之类、在 Ising 眼中梦幻难及的东西，对万军似乎都是小酒一壶：just do it！

万军和他的合作团队最近在《npj QM》刊登了他们取得的部分进展。这个合作团队，包括万军自己在清华的课题组、供职于阿卜杜拉国王科技大学的知名学者张西祥教授团队 (King Abdullah University of Science and Technology)、供职于南京大学的王永磊教授团队，还有来自北京师范大学、国防科技大学、香港中文大学 (周艳教授)、浙江驰拓科技的合作团队。他们阵容豪华，已于其中浸淫弥久。

图 3. 江万军他们制备和表征的、基于磁 skyrmion 之 MTJ 结构单元。图 (A) 和图 (B) 的内涵描述，可见插入图中的图题。

感兴趣的读者可以前往御览万军他们论文之详细内容。继续 Ising 读书笔记的风格，这里梳理几条碎片如下，部分结果组合于图 2 中。

(1) MTJ 原型器件单元之组成如图 2(C) 所示，其外形视图如图 2(D) 所示。其中的 skyrmion 载体单元由 [Pt/Co/Ta]₁₀ 多层膜 (简称 S-单元) 组成。在面外磁场 H 作用下，器件呈现出显著的电阻变化，结果如图 2(E) 所示。磁场 H 驱动的电阻变化具有清晰的回线特征，因此磁电阻来源于 S-单元中磁畴运动的可能性很大。不过，这里的磁畴运动，到底是磁场 H 驱动的磁畴壁运动所致？还是其中 skyrmion 运动或产生 / 湮灭导致，并无确定性实验观测证据。但是，此类与 skyrmion 有内在联系的清晰电学探测，很有价值！

(2) MTJ 器件的电学测量可立足两种模式：将一个或几个 skyrmions 锚定于 MTJ 单元中，然后借助外磁场对其进行电学探测和操控，如图 2(C) ~ 2(E) 所示即是如此。另一种方式，是利用如图 3(A) 所示的赛道 race-track。通过在赛道中施加电流脉冲，驱动 skyrmion 进入 MTJ 和离开 MTJ 单元，进而测量 MTJ 单元的电阻变化。万军老师他们清晰地展示了赛道处电流诱导形成了 skyrmion，正如图 3(B) 所示洛伦兹电镜观测结果所证实。

(3) 电学探测和操控的结果，显示于图 4 中：于赛道中施加一系列电流脉冲。每一个脉冲，都可能触发赛道中的 skyrmion 运动一段距离，并在某个时刻进入到 MTJ 单元中。这是电操控。而如图所示的 MTJ 电阻跳跃，即是物理人梦寐以求的电学探测。这里，稍有遗憾的是，中间图中所示的 skyrmion 进入和离开那个小圆圈 (MTJ 单元) 的过程乃模拟所得，不是物理人最期待的实验直接观测结果。事实上，要在电流脉冲操作的同时直接观测 skyrmion 的影像，的确是在挑战物理人的认知！目前来看，除了超高分辨的中子或同步辐射测量介入 (对这一微纳器件单元，要中子束和同步辐射束进入，就太难了)，要做到同时测量电阻变化和监控电流脉冲驱动下 skyrmion 运动的影像，其它技术途径似乎还无能为力。阿门！

图 4. 江万军老师他们基于磁 skyrmion 之 MTJ 单元的电学探测与操控结果。

Ising 以为，万军老师他们做到这一步，已是了不起的进展。他们让磁 skyrmion 总算有了走向应用的人间烟火气。这一工作表明，磁 skyrmion 携带的信息，是可被一般性的隧道结电学信号表达和通过电学驱动来操控的。实验测得的 S-单元层内电阻变化，可能包含了来自其它磁畴畴壁运动的贡献。也就是说，在通用器件层面，磁 skyrmion 排他性电学特征的缺失，目前还是一个未能最终解决的课题。但是，测量到的电阻变化特征，的确具有磁 skyrmion 运动和形态变化的性状。

另外一个令人纠结的问题，是实验所需的驱动电流密度依然偏高，让物理人渲染磁 skyrmion 有低损耗的气势弱了一些。当然，万军老师他们似乎已成竹在胸！向他们致敬！

雷打不动的结尾：Ising 乃属外行，描述不到之处，敬请谅解。各位有兴趣，还请前往御览原文。原文链接信息如下：

备注：

(1) 笔者 Ising，任职南京大学物理学院，兼职《npj Quantum Materials》编辑。

(2) 小文标题“磁Skyrmion有了烟火气”乃感性言辞，不是物理上严谨的说法。这里只是引起读者关注的表达：磁 skyrmion 不能总是用洛伦兹和小针尖去一个一个地“观测”。我们迫切需要电探测和电操控，而万军看起来在这里做到了！致敬！

(3) 文底图片乃玄武湖荷叶初放，其形态像一个一个的 skyrmion (20240602)。小词 (20240605) 原本是芒种节气吟诵江南水天青葱之色、生气盎然。且将江万军操控“山川之青与水天之白”的意境，写入到《江城子》中，虽然诗词本身也欠缺烟火气。

(4) 封面图片来自杨洪新老师，取自 https://www.eurekalert.org/multimedia/933395。图中展示了 skyrmions - based single - nanotrack logic device with two inputs at both ends and one output in the middle, where Néel-type magnetic skyrmions with different topological charge and helicity number are illustrated。

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