劳伦斯·伯克利国家实验室 艺术家绘制的磁性Hopf的特征3D旋转纹理
伯克利实验室的科学家创造并观察了3D跳跃
这一发现可能会推进自旋电子学存储器件
学分:彼得·费舍尔和弗朗西斯·赫尔曼/伯克利实验室 10年前，被称为磁天顶子的准粒子的发现提供了重要的新线索，说明微观自旋结构将如何使自旋电子学成为可能，自旋电子学是一种新的电子学，它利用电子的自旋方向而不是电荷来编码数据
但是，尽管科学家们在这个非常年轻的领域取得了巨大的进步，他们仍然没有完全理解如何设计自旋电子材料来制造超小型、超高速、低功耗的器件
摩天大楼看起来很有希望，但是科学家们长期以来一直将摩天大楼仅仅视为2D物体
然而，最近的研究表明，2D自旋实际上可能是一种叫做hopfions的三维自旋模式的起源
但是没有人能够通过实验证明磁性粒子存在于纳米尺度
现在，由伯克利实验室共同领导的一组研究人员在《自然通讯》上报道了第一次演示和观察磁性系统中纳米级(十亿分之一米)的超光速粒子产生的3D跳跃
研究人员说，他们的发现预示着在实现利用电子自旋固有能量的高密度、高速、低功耗但超稳定的磁存储设备方面向前迈出了一大步
“我们不仅证明了像三维跳跃这样的复杂自旋结构的存在——我们还展示了如何研究和利用它们，”合著者彼得·费舍尔说，他是伯克利实验室材料科学部的高级科学家，也是加州大学圣克鲁斯分校的物理学副教授
“为了理解跳跃是如何工作的，我们必须知道如何制造它们并研究它们
这项工作之所以成为可能，只是因为我们在伯克利实验室拥有这些令人惊叹的工具，以及我们与世界各地科学家的合作伙伴关系，”他说
根据以前的研究，跳跃不像跳伞，当它们在设备上移动时不会漂移，因此是数据技术的优秀候选对象
此外，联合王国的理论合作者曾预测，跳跃者可能来自多层2D磁系统
费希尔说，目前的研究是第一次将这些理论付诸实践
使用伯克利实验室分子铸造厂的纳米制造工具
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加州大学圣克鲁斯分校和伯克利实验室费希尔小组的物理学学生与分子铸造厂的工作人员一起，用铱、钴和铂层雕刻出磁性纳米柱
多层材料是由加州大学伯克利分校博士后学者尼尔·雷诺兹在合著者弗朗西斯·赫尔曼的监督下制备的，弗朗西斯·赫尔曼拥有伯克利实验室材料科学部高级教师科学家和加州大学伯克利分校物理学和材料科学与工程教授的头衔
她还领导能源部的非平衡磁性材料项目，该项目支持这项研究
众所周知，在磁性材料中Hopfions和skyrmions是共存的，但是它们在三维空间中有一个特有的自旋模式
因此，为了区分它们，研究人员使用了两种先进的磁性X射线显微技术的结合——位于伯克利实验室同步加速器用户设施——先进光源的X-PEEM (X射线光电发射电子显微术)；和磁软x光透射显微镜(MTXM)，一个位于西班牙巴塞罗那的同步加速器光设备，用来成像跳跃和跳跃的不同自旋模式
为了证实他们的观察，研究人员随后进行了详细的模拟，以模拟磁性设备内部的2D天顶如何在精心设计的多层结构中演变成3D跃层，以及当用偏振x光成像时，这些跃层将如何出现
赫尔曼说:“模拟是这个过程中非常重要的一部分，使我们能够理解实验图像，并设计支持跳跃、跳伞或其他设计的3D自旋结构的结构。”
为了了解霍普菲尔德粒子最终将如何在设备中发挥作用，研究人员计划利用伯克利实验室的独特能力和世界级的研究设施——菲舍尔称之为“开展这种跨学科工作的必要条件”——来进一步研究不切实际的准粒子的动力学行为
赫尔曼说:“我们早就知道，自旋纹理几乎不可避免地是三维的，即使是在相对较薄的薄膜中，但直接成像在实验上具有挑战性。”
“这里的证据令人兴奋，它打开了寻找和探索更奇特和潜在的重要三维自旋结构的大门
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