2026年8月10日——斯格明子——本质上是磁性涡旋——代表了自旋电子学中一种前景广阔的方法；未来，它们可以作为存储介质或计算机中的组件，可能对成熟的CMOS技术形成补充。美因茨约翰内斯·古腾堡大学（JGU）的研究人员首次实现了反铁磁斯格明子相互作用的可视化，并证明反铁磁斯格明子能够沿与驱动电流方向一致的直线轨迹可重复地运动。“我们的结果为反铁磁斯格明子的相互作用建立了定量框架。由此，它们为基于大量斯格明子的自旋电子器件铺平了道路，”JGU物理研究所Mathias Kläui教授研究组的Mona Bhukta表示。研究人员于今天在著名科学期刊《自然·物理学》上发表了他们的发现。

斯格明子具有诸多优势

斯格明子具有诸多优势：它们极其微小（纳米尺度），高度稳定，并且可以利用电流进行操控。它们已经在铁磁体中催生了突破性的新概念——例如赛道存储器、逻辑门以及非常规计算。然而，它们的实际应用受到所谓的斯格明子霍尔效应的限制：当使用电流驱动斯格明子沿特定方向运动时，它们不会直接沿电流方向运动，而是会发生横向偏转——偏转角度最高可达30度。

其他研究小组的理论研究曾预测，反铁磁体系中不存在斯格明子霍尔效应。Bhukta所在的团队现已在一个相互作用的反铁磁斯格明子晶格的时间分辨测量中直接证实了这一行为。“我们已经证明——可重复地且在实验不确定度范围内——反铁磁体系中的斯格明子沿电流方向运动，这意味着斯格明子霍尔效应不会出现，”Bhukta说道。这种运动的可重复性对于基于斯格明子的器件至关重要，因为高频应用需要大量斯格明子可靠、可重复地运动。

在研究中，Bhukta领导的研究人员构建了一个密集的相互作用斯格明子晶格，其相对位置在相干运动期间保持固定。“我们利用短电流脉冲移动整个晶格，并成功证明所有斯格明子都沿电流方向直线运动，”Bhukta说道。为了可视化斯格明子及其运动，研究人员在柏林亥姆霍兹中心的BESSY II设施使用时间分辨X射线显微镜对其进行了观测。

斯格明子晶格如同密集排列的软球阵列

在第二个实验中，研究人员再次使用极短的电流脉冲激发斯格明子晶格，但电流密度较低，并捕捉了由此产生的运动。“由于这一序列被完全相同地重复了数十亿次，我们能够以纳秒时间分辨率制作出一部运动影片，”参与这项研究的JGU的Robert Frömter博士说道。电流关闭后观察到的运动尤其具有揭示性：一些可移动的斯格明子被推向因局部材料不均匀性、缺陷或晶界而保持钉扎的邻近斯格明子；电流关闭后，可移动的斯格明子发生回弹。“一个有用的类比是密集排列的软球阵列，其中一些球被局部锚定：当可移动的球被压向这些被锚定的球时，它们会发生形变，一旦不再被推动便会弹回，”Bhukta说道。从这种在实时和实空间观察到的回弹运动中，研究人员可以重建斯格明子之间的排斥力强度，并确定这种相互作用如何随着它们之间距离的增大而减弱。定量分析的一个关键贡献来自Mathias Kläui研究组的博士生Kilian Leutner，他开发并完善了物理模型，将其拟合到测量轨迹上，并进行了用于验证结果的微磁模拟。

当大量斯格明子要被集成到器件中时，这种斯格明子-斯格明子相互作用势尤其重要。这些磁性涡旋之间如何相互作用？涉及哪些距离和时间尺度？那么，在多大的分离距离下必须考虑斯格明子之间的相互作用？“我们的结果为回答这些问题以及实现集成大量反铁磁斯格明子的器件奠定了基础，”Bhukta说道。