近日，美(mei)國勞倫斯(si)伯克利國家實驗室和法國諾貝(bei)爾物(wu)理學獎(jiang)獲得者(zhe)Albert Fert合作(zuo)完成了一個科研(yan)項目，將單層(ceng)的石墨(mo)烯和薄層(ceng)磁性材料(鈷和鎳)結合在一起(qi)，使(shi)它能(neng)在非常小的體積下快(kuai)速高效地存(cun)(cun)儲(chu)傳輸數據。這(zhe)為下一代(dai)計算(suan)發展奠定了高速儲(chu)存(cun)(cun)技術(shu)基礎(chu)。

因為(wei)對(dui)多層材料的(de)磁(ci)性效(xiao)應(ying)研究做出(chu)突出(chu)貢獻，Albert Fert在2007年獲得(de)諾貝爾物理學(xue)(xue)獎(jiang)。也正因為(wei)他(ta)，讀取硬盤驅動器(qi)數據的(de)新(xin)技術(shu)(shu)才得(de)以問(wen)世，之后這種(zhong)技術(shu)(shu)得(de)到開(kai)拓發展，逐漸引出(chu)一個新(xin)的(de)研究領(ling)域——“自旋電子學(xue)(xue)”。通過研究如何控制利用(yong) “自旋”電子的(de)基本屬性，科學(xue)(xue)家們試(shi)圖開(kai)發出(chu)一種(zhong)用(yong)于計算機的(de)新(xin)型低耗(hao)能(neng)、高速存儲運算技術(shu)(shu)。

那究竟什么是電子(zi)(zi)自旋呢？伯克利(li)國家實(shi)驗(yan)室的(de)科學家Andreas Schmid解釋說：“在(zai)量子(zi)(zi)物理學的(de)概念里(li)，電子(zi)(zi)就(jiu)像是羅盤的(de)指針，會指北或指南，這(zhe)(zhe)種特(te)性就(jiu)是自旋。”而石墨烯和(he)(he)磁性層之(zhi)間又是如何相(xiang)(xiang)互(hu)影響的(de)呢？研究人員發現，材料的(de)電子(zi)(zi)和(he)(he)磁性會在(zai)層相(xiang)(xiang)遇的(de)地(di)方形成(cheng)微小的(de)漩渦模式，這(zhe)(zhe)為(wei)控制這(zhe)(zhe)些漩渦方向以及在(zai)超薄(bo)材料中利(li)用這(zhe)(zhe)些“自旋軌道”效(xiao)應提供(gong)了(le)可能。

通常情況下，希(xi)望利用(yong)這(zhe)一效應的(de)(de)(de)研究(jiu)人員會將重金(jin)屬或貴金(jin)屬(如鉑和(he)鉭(tan))與磁性材(cai)(cai)料結合在一起。但石墨烯的(de)(de)(de)出現成為了一種(zhong)具有(you)革命意義的(de)(de)(de)潛在替代品，因為它(ta)又(you)薄(bo)又(you)輕，具有(you)非常高(gao)的(de)(de)(de)導(dao)電性，并且(qie)還可(ke)作易腐蝕磁性材(cai)(cai)料的(de)(de)(de)保(bao)護層。這(zhe)完全滿(man)足(zu)科學(xue)家們對“自旋電子學(xue)”的(de)(de)(de)研究(jiu)初(chu)衷，能(neng)夠實現在非常小的(de)(de)(de)體積下快(kuai)速高(gao)效地(di)存儲傳輸數據，并且(qie)不(bu)會產(chan)生熱量積聚，這(zhe)個特(te)征(zheng)能(neng)解(jie)決當前小型計算設備最常見的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)難題(ti)。

Andreas Schmid說：“你可以想(xiang)象未來我們不再(zai)需要電(dian)(dian)腦移動(dong)硬(ying)盤，我們僅(jin)僅(jin)用幾個電(dian)(dian)信號就可在(zai)其他固態設備中(zhong)存儲(chu)(chu)信息。在(zai)這(zhe)種(zhong)情形下，計算功耗(hao)會(hui)降低，而且(qie)數(shu)據存儲(chu)(chu)的易(yi)失性問題也可解決，畢竟‘硬(ying)盤’不再(zai)移動(dong)。”

目前(qian)他(ta)們的(de)(de)最新(xin)研究成(cheng)果已經表(biao)明(ming)，實(shi)現(xian)這一(yi)應用的(de)(de)曙光就(jiu)在眼前(qian)，下(xia)一(yi)步該做的(de)(de)是控制一(yi)種(zhong)納米(mi)磁性特(te)征——斯格明(ming)子(skyrmions，專業解釋見文(wen)末)，它可(ke)以使材料(liao)的(de)(de)結構表(biao)現(xian)出特(te)定的(de)(de)手性特(te)征，使它們可(ke)以順時(shi)(shi)針或逆時(shi)(shi)針方向旋轉(zhuan)。

在傳(chuan)統的層狀(zhuang)材料中(zhong)(zhong)，電(dian)子在材料中(zhong)(zhong)的傳(chuan)播模式就(jiu)像(xiang)風(feng)吹一(yi)樣，一(yi)波(bo)連(lian)著(zhu)一(yi)波(bo)，如果想(xiang)改變磁(ci)結構(gou)，就(jiu)會像(xiang)強風(feng)吹動一(yi)堆葉子一(yi)般。但這(zhe)(zhe)種(zhong)石(shi)墨烯層狀(zhuang)材料的卻(que)相反(fan)(fan)，由于“自旋霍爾(er)效應(ying)(ying)”(專業解釋見文(wen)末)，新的石(shi)墨烯層狀(zhuang)材料中(zhong)(zhong)的強電(dian)子自旋效應(ying)(ying)可以驅(qu)動相反(fan)(fan)手性(xing)的不(bu)同方向的磁(ci)性(xing)結構(gou)，這(zhe)(zhe)解釋了電(dian)流(liu)如何影響自旋，反(fan)(fan)之亦然。如果這(zhe)(zhe)種(zhong)手性(xing)可以通過一(yi)種(zhong)材料普(pu)遍對齊(qi)，并以受控方式翻轉(zhuan)，研究人(ren)員就(jiu)可以用它來處理數據。

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。”為了(le)測量(liang)多(duo)層材(cai)料，科(ke)學(xue)家在伯克利的(de)(de)國家電子顯(xian)微鏡中心用(yong)上(shang)了(le)最高端的(de)(de)儀(yi)器——自旋極(ji)化低能電子顯(xian)微鏡(SPLEEM)。這(zhe)是世(shi)界上(shang)僅有的(de)(de)一(yi)(yi)些專用(yong)設備(bei)之(zhi)一(yi)(yi)，能以標(biao)樣(yang)為基準映射出樣(yang)品(pin)的(de)(de)三維磁化輪(lun)廓(或(huo)矢量(liang))的(de)(de)方(fang)向，揭示其“旋轉(zhuan)紋(wen)理”，讓科(ke)學(xue)家獲得不同(tong)種類的(de)(de)圖像。同(tong)時該研(yan)究小組還用(yong)這(zhe)臺儀(yi)器的(de)(de)分子束外延功能精確地(di)制備(bei)了(le)樣(yang)品(pin)，并使用(yong)其他形(xing)式的(de)(de)電子束探測技術研(yan)究樣(yang)品(pin)。

 
     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(zhe)項工(gong)作(zuo)(zuo)由美(mei)國(guo)伯克(ke)利國(guo)家實驗(yan)室(shi)與法(fa)國(guo)巴黎第十一大學(xue)的(de)科學(xue)家合作(zuo)(zuo)完成的(de)，其中(zhong)包括諾貝爾(er)獎獲得者Albert Fert教授(shou)。該團隊在(zai)伯克(ke)利實驗(yan)室(shi)的(de)國(guo)家電子顯微鏡中(zhong)心(xin)完成了最(zui)關鍵(jian)的(de)測量工(gong)作(zuo)(zuo)，他們的(de)研究結果以(yi)論文形式發(fa)表在(zai)《Nature Materials》期刊上。