微觀世界的小漩渦——斯格明子
斯格明子(Skyrmion)是一種具有拓撲保護特性的微觀結構，最初由理論物理學家在粒子物理的理論研究中預測。多年後，科學家在磁性材料中實驗發現了這些如同小漩渦般的自旋組態結構，因其獨特的拓撲性質，被視為開發下一代高密度、低功耗記憶體與邏輯元件的關鍵。它們的形成涉及多種磁性相互作用的巧妙平衡。斯格明子因其拓撲保護而具有極高穩定性，且能以極低的電流驅動，這使其在自旋電子學領域展現出巨大潛力，有望突破傳統電子元件的限制。儘管目前仍面臨許多應用與製造技術等挑戰，磁斯格明子儼然已成為下世代磁性自旋電子元件的重要研究方向之一。
撰文｜穿山甲
磁性材料的晶格點上會有許多小磁矩，每個小磁矩可以視為小磁鐵般。眾多的小磁矩依據排列不同，會形成各種的自旋組態與磁壁圖樣。這些圖樣會直接影響材料的磁特性，因為散逸出來的磁場或內部能量也會有所不同。常見的磁儲存媒介硬碟，就是在磁性圓盤上以讀寫頭刻畫出許多的磁區與磁壁，將不同的磁矩方向定義為資料的0或1，如圖1所示。
隨著儲存密度的需求越來越高，現有的磁性儲存媒介的磁區大小已經縮小到一定的極限，無法再提升資料的儲存密度。這個時候有一種磁性記憶體的儲存方式稱之為賽道記憶體被提出，其概念就是將資料的儲存材料往垂直方向搭建，以增加更多的儲存空間，雖然往上會讓元件變厚，但在巨觀的世界中，增長的厚度微乎其微，並能維持晶片尺寸不變。其原理就是在帶狀的磁性薄膜上產生一段段磁壁，用以紀錄資料的0或1，並利用脈衝電流推動磁壁，以利於資料的寫入與讀取。然而要推動磁壁並不是容易的事，需要一定程度的電流密度才能推動，記錄條上的磁壁越多，推動的難度也會提升，需要的驅動電流也會變大。生成的磁壁在移動時也容易受材料中雜質與結構缺陷的影響，被釘紮住不易推動，假使想克服磁壁釘紮則需要更大的電流密度，如此一來就會加劇因電流產生的焦耳熱，元件的發熱問題就會愈發嚴重，並產生高能耗。
1962年代英國核子物理學家托尼·斯格明 (Tony Skyrme) 在研究高能物理時，為描述介子性質，以及彼此的交互作用關係，發展出非線性場理論，斯格明大膽地引入了拓撲孤子的概念，並預測到一種具有拓樸保護的準粒子穩定場結構存在，該準粒子被稱之為斯格明子。雖然最初斯格明子的概念，僅存在於數學方程式和粒子物理的理論推演中，但隨著科學家對凝態物理的深入研究，人們逐漸意識到，這種奇特的結構或許也能在實際材料中找到。
1975年A. A. Belavin 團隊從理論預測到可以在二維磁性薄膜中，生成處於亞穩態的準粒子，即磁斯格明子。2009年有許多團隊幾乎在同一時期，於MnSi材料表面觀測到磁斯格明子的存在。緊接著於2011年時，S. Heinze團隊則在Ir的(111)表面上長出單層的鐵薄膜上，觀察到磁斯格明子的陣列結構。磁斯格明子其實就是一種特殊的自旋組態結構，也可以稱為一種特殊的磁壁結構，其自旋組態呈現手性渦漩結構，相較於一般的磁性組態，磁斯格明子由於拓樸的不連續性，從而保有更穩定的狀態，不容易受環境的熱擾動與外界電磁場影響而消散，如圖2所示。更為重要的是磁斯格明子在移動的過程中，不容易被材料的雜質以及結構缺陷所釘紮，還可以繞過這些缺陷移動，且推動磁斯格明子的電流密度不需要太高，比起以往推動磁壁所需的電流密度相比，大約可以降低5至6個數量級。這意味著基於磁斯格明子製作的元件，可以有效降低元件運行時的熱耗散，所需的能量消耗低。
磁斯格明子的產生，主要源自材料內部的四種機制與之間的相互作用，即Dzyaloshinskii-Moriya (DM)、長程磁偶極、阻挫交換、四自旋交換相互作用等。其中阻挫交換、四自旋交換相互作用所產生的磁斯格明子尺寸，最小為1 nm約材料的晶格大小相近，然而這兩種機制現階段僅可以在低溫下觀測，且需要的材料與晶體結構較為特殊。Dzyaloshinskii-Moriya與長程磁偶極相互作用產生的磁斯格明子可以輕易地在室溫下被觀測到，Dzyaloshinskii-Moriya甚至可以略高於室溫，兩者對材料設計的要求也較低。尺寸方面長程磁偶極交互作用的斯格明子大小約在數百奈米至數微米間，DM交互作用的斯格明子尺寸則約在5-100 nm左右，易於操控且抗干擾能力好，因此較多的研究聚焦於DM交互作用產生的斯格明子。DM交互作用通常源自兩種材料內，一是具有對稱破缺界面的磁性多層膜，例如，Pt/Co/Ta，方向則沿著平行膜面。其二是非中心對稱的晶體結構，如FeGe、MnSi，方向則垂直膜面。一般來說，晶格內相鄰自旋間的交互作用會希望朝向平行或反平行，但DM交互作用會促使相鄰自旋相互垂直。這兩種交互作用的拉扯下，讓磁性材料順利產生出穩定的磁斯格明子。
磁斯格明子具有體積極小、穩定性高、不易散失，並且能以極低能耗移動等優勢。這些特性使它們在發展超高密度記憶體、自旋電子學元件、邏輯運算單元，甚至神經型態計算等領域，被視為下世代的關鍵技術。儘管磁斯格明子的優勢十分明顯，但磁斯格明子仍面臨不少挑戰。目前大多數材料選擇有限，這限制實際裝置與其它元件的整合。斯格明子的熱穩定性會受到材料參數的影響，溫度一高容易消散，這對於現有晶片動輒40至65°C的環境下，明顯難以應用。再者部分材料的磁阻尼較大，這導致驅動斯格明子的臨界電流較高，不利於低能耗器件設計。雖然於材料中斯格明子的生成、操控與湮滅過程已被證實可行，但要在同一條件下順利進行高效率的控制，仍然還有一段路要走。這些挑戰涵蓋了材料科學、物理機制與半導體技術等多個層面，是推動斯格明子自旋電子學實用化的關鍵瓶頸，也是科技界急需突破的瓶頸。
參考文獻
- W. Kang, Y. Huang, X. Zhang, Y. Zhou and W. Zhao, “Skyrmion-electronics: an overview and outlook,” Proceedings of the IEEE, vol. 104, no. 10, pp. 2040–2061, 2016.
- Y. Tokura and N. Kanazawa, “Magnetic skyrmion material,” Chemical Reviews, vol. 121, pp. 2857–2897, 2021.