近日，美國勞(lao)倫斯伯克(ke)利國家實驗室和法國諾貝爾(er)物理學(xue)獎獲得者(zhe)Albert Fert合作完成了(le)一個(ge)科研項目，將單層(ceng)(ceng)的石墨烯(xi)和薄層(ceng)(ceng)磁(ci)性材(cai)料(鈷和鎳)結(jie)合在(zai)一起，使(shi)它能在(zai)非常小的體積下快速高效地存(cun)儲傳輸數(shu)據。這為(wei)下一代計算發展(zhan)奠定了(le)高速儲存(cun)技(ji)術(shu)基礎。

因為對多層材料的(de)磁(ci)性(xing)效應(ying)研(yan)究(jiu)做(zuo)出突出貢獻，Albert Fert在2007年獲得諾貝爾物理(li)學(xue)獎。也正因為他(ta)，讀取硬盤驅動器數據的(de)新技術才得以(yi)問世，之后這種技術得到開(kai)拓(tuo)發(fa)展(zhan)，逐漸引出一(yi)個新的(de)研(yan)究(jiu)領域(yu)——“自旋電(dian)子學(xue)”。通過研(yan)究(jiu)如何控制利用 “自旋”電(dian)子的(de)基本(ben)屬性(xing)，科學(xue)家們試圖開(kai)發(fa)出一(yi)種用于計(ji)算機的(de)新型低耗能(neng)、高速存(cun)儲運算技術。

那究(jiu)竟什么是(shi)電(dian)(dian)子(zi)自旋(xuan)(xuan)(xuan)呢？伯克利國家(jia)實驗室的科學(xue)家(jia)Andreas Schmid解(jie)釋說：“在(zai)(zai)量子(zi)物理學(xue)的概(gai)念里，電(dian)(dian)子(zi)就(jiu)(jiu)像是(shi)羅盤的指(zhi)針，會指(zhi)北(bei)或指(zhi)南(nan)，這(zhe)種(zhong)特性(xing)就(jiu)(jiu)是(shi)自旋(xuan)(xuan)(xuan)。”而石墨烯和磁(ci)性(xing)層之(zhi)間又是(shi)如何(he)相(xiang)互影響的呢？研究(jiu)人員發現，材(cai)料的電(dian)(dian)子(zi)和磁(ci)性(xing)會在(zai)(zai)層相(xiang)遇的地方形成(cheng)微小(xiao)的漩渦模式，這(zhe)為控制這(zhe)些漩渦方向以及在(zai)(zai)超薄(bo)材(cai)料中利用這(zhe)些“自旋(xuan)(xuan)(xuan)軌道”效應(ying)提供了可能。

通(tong)常(chang)情況下(xia)(xia)，希望(wang)利用這(zhe)一(yi)效(xiao)應的研究人(ren)員(yuan)會(hui)將重金(jin)屬(shu)或貴金(jin)屬(shu)(如鉑和鉭)與磁性材料結合在一(yi)起。但石墨烯的出(chu)現成為(wei)了(le)一(yi)種具有革命意義的潛在替(ti)代(dai)品，因為(wei)它(ta)又薄(bo)又輕(qing)，具有非常(chang)高(gao)的導(dao)電性，并且(qie)還可(ke)作易腐蝕磁性材料的保(bao)護(hu)層。這(zhe)完(wan)全滿(man)足科學(xue)家們對“自旋電子學(xue)”的研究初衷，能夠實現在非常(chang)小的體積下(xia)(xia)快(kuai)速高(gao)效(xiao)地存(cun)儲傳(chuan)輸數(shu)據，并且(qie)不會(hui)產生熱量積聚，這(zhe)個(ge)特(te)征能解決當前小型計算(suan)設備最常(chang)見的高(gao)溫難(nan)題。

Andreas Schmid說：“你(ni)可以(yi)想(xiang)象未來(lai)我們(men)不再(zai)需要電腦(nao)移動硬(ying)(ying)盤，我們(men)僅僅用幾個電信(xin)號就可在其他固態設備中存儲(chu)信(xin)息。在這種情形下(xia)，計算功(gong)耗會降低，而且數據存儲(chu)的易失性(xing)問題也可解決，畢竟‘硬(ying)(ying)盤’不再(zai)移動。”

目前他們(men)的(de)(de)最(zui)新研究成(cheng)果已經表明，實現這一(yi)應用(yong)的(de)(de)曙光就(jiu)在眼前，下一(yi)步(bu)該(gai)做(zuo)的(de)(de)是控制一(yi)種(zhong)納(na)米磁(ci)性特征(zheng)——斯格明子(skyrmions，專業(ye)解釋見(jian)文末)，它可以(yi)使材料的(de)(de)結(jie)構表現出特定的(de)(de)手性特征(zheng)，使它們(men)可以(yi)順時針或(huo)逆時針方(fang)向旋轉。

在傳統的(de)層狀(zhuang)(zhuang)材料(liao)中(zhong)，電子(zi)在材料(liao)中(zhong)的(de)傳播模式就(jiu)像風(feng)吹一(yi)樣，一(yi)波連著一(yi)波，如(ru)果(guo)(guo)想改變磁結構，就(jiu)會(hui)像強風(feng)吹動(dong)一(yi)堆葉子(zi)一(yi)般(ban)。但這種(zhong)石墨烯層狀(zhuang)(zhuang)材料(liao)的(de)卻相(xiang)反，由于“自旋(xuan)霍爾效(xiao)(xiao)應(ying)”(專業解釋(shi)見文末)，新的(de)石墨烯層狀(zhuang)(zhuang)材料(liao)中(zhong)的(de)強電子(zi)自旋(xuan)效(xiao)(xiao)應(ying)可以驅(qu)動(dong)相(xiang)反手性(xing)(xing)的(de)不同方向的(de)磁性(xing)(xing)結構，這解釋(shi)了電流如(ru)何(he)影(ying)響自旋(xuan)，反之亦然(ran)。如(ru)果(guo)(guo)這種(zhong)手性(xing)(xing)可以通過(guo)一(yi)種(zhong)材料(liao)普遍(bian)對(dui)齊，并以受(shou)控方式翻轉(zhuan)，研究人員就(jiu)可以用(yong)它(ta)來處理數據。

Schmid補充說：“我們的團隊成員通過計算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯結合，并構建多層堆疊的結構，那么這種現象和影響會被非常有力地放大。”為(wei)了測量(liang)多(duo)層材(cai)料(liao)，科學家(jia)(jia)在伯克利的(de)(de)國家(jia)(jia)電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡中(zhong)心用上了最高(gao)端(duan)的(de)(de)儀(yi)器(qi)——自旋(xuan)極化(hua)低能電(dian)(dian)子(zi)顯微鏡(SPLEEM)。這是世(shi)界上僅有的(de)(de)一些專用設備之一，能以(yi)標(biao)樣為(wei)基(ji)準映射出樣品的(de)(de)三維(wei)磁化(hua)輪廓(或矢量(liang))的(de)(de)方向，揭示其“旋(xuan)轉紋(wen)理”，讓科學家(jia)(jia)獲得不同種(zhong)類的(de)(de)圖(tu)像。同時該(gai)研(yan)究小組還(huan)用這臺儀(yi)器(qi)的(de)(de)分子(zi)束(shu)外延功能精(jing)確地制備了樣品，并使用其他形式的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)束(shu)探測技術研(yan)究樣品。

 
     作為共同主要作者的Gong Chen是伯克利國家實驗室的博士后研究員，現在也是加州大學戴維斯分校物理系的項目助理科學家，他表示，為這次合作早在2016年就和法國的科學家召開過一次會議，他們兩個團隊之前都獨立開展了類似的研究，后來終于實現了協同合作。
 
    Chen說：“盡管本次最新實驗中觀察到的結果早在幾十年前就被討論過，但使用像石墨烯這樣原子級薄的材料代替重元素來產生這些效應，不管從哪個角度來說都是一個新概念。薄膜的自旋霍爾效應長期以來一直被科學家們忽視，但事實上這種類型的多層堆疊非常穩定和堅固。”
 
    Schmid也說：“應用斯格明子對于數據處理來說可能是革命性的突破，因為這種結構下信息的存儲密度可以遠高于常規技術所能達到的數值，并且功耗要低得多。我們的研究人員也正努力在絕緣體或半導體上制備石墨烯磁性多層材料，以使其開拓出更多的潛在應用。”
 
    這項工(gong)作由美國(guo)伯克(ke)利國(guo)家(jia)實驗室與法國(guo)巴黎第十一大學(xue)的(de)科學(xue)家(jia)合(he)作完(wan)成的(de)，其中(zhong)(zhong)包(bao)括諾貝爾獎獲(huo)得者Albert Fert教(jiao)授。該團隊在伯克(ke)利實驗室的(de)國(guo)家(jia)電子顯微鏡中(zhong)(zhong)心完(wan)成了(le)最關鍵的(de)測(ce)量工(gong)作，他(ta)們的(de)研究結果以論文形(xing)式發(fa)表在《Nature Materials》期刊(kan)上(shang)。