佛羅里達州立大學的研究人員成功開發出一種結晶材料，能將磁性轉變為旋渦狀圖案，這一發現或將推動數據存儲、節能電子產品及未來量子技術的邊界。在他們的研究中，團隊展示了將兩種化合物的化學組成幾乎相同但晶體對稱性不同的方式，可以產生全新的結構類型。這導致了一種具有非常特殊的類似於 skyrmion 磁性紋理的材料。
這些微小的磁性漩渦源於原子的自旋，每個自旋像是一個微型箭頭，表徵著其磁性方向。當這些自旋對齊時，便會產生日常設備中所見的磁性，但當它們扭轉成重複的螺旋形狀時，則能解鎖具備巨大技術潛力的奇異物理現象。佛羅里達州立大學團隊的方法提供了一種全新的方式，能夠有意識地生成這些複雜圖案，而不是在自然界中尋找它們。
研究人員將一種錳鈷鍺化合物與一種錳鈷砷化合物結合。由於鍺和砷在元素週期表中相鄰，這種化學相似性使兩種結構能夠融合，但其不同的對稱性引入了結構上的挫折。共同作者 Michael Shatruk 表示：「我們認為，這種結構上的挫折可能會轉化為磁性上的挫折。如果這些結構處於競爭狀態，可能會導致自旋的扭轉。」
當混合物固化為晶體時，Oak Ridge National Laboratory 的 TOPAZ 儀器進行的中子衍射實驗揭示了團隊希望創造的獨特的螺旋狀、類 skyrmion 的紋理。這類紋理在物理學和材料科學中都是熱門的研究領域，因為 skyrmion 可以用極低的能量進行操控，這使它們成為下一代記憶技術和節能電子元件的理想候選者。
這項研究對於高密度存儲具有重大意義。降低能耗的磁性操控意味著系統更冷卻、更高效，這對於運行數千個處理器的超級計算機來說是至關重要的。Xiaoping Wang 表示：「憑藉來自 TOPAZ 的單晶中子衍射數據以及我們 LDRD 項目中的新數據減少和機器學習工具，我們現在能夠更有信心地解決非常複雜的磁性結構。」
這種能力使得團隊可以從僅僅尋找不尋常的自旋紋理，轉向有意識地設計和優化它們，以便用於未來的信息和量子技術。這一方法還為容錯量子計算開辟了新途徑，穩定的磁性模式可以幫助保存脆弱的量子信息。
與傳統的 skyrmion 研究不同，該研究利用化學思維來預測新紋理的形成。Shatruk 說：「這是化學思維。我們在思考這些結構之間的平衡如何影響它們及其之間的關係，然後思考這如何轉化為原子自旋之間的關係。」這種預測能力可能指導研究人員開發出更經濟、易於生長的晶體，從而加強未來技術的供應鏈。
共同作者 Ian Campbell 強調了這一策略的轉變。他表示：「這個想法是能夠預測這些複雜自旋紋理出現的地方。如果我們將這兩個因素結合在一起，將形成一種具有這些期望特性的全新材料。」Campbell 在 Oak Ridge National Laboratory 完成了部分研究，這一研究得到了佛羅里達州立大學支持的獎學金的支持，進一步加深了佛羅里達州立大學與 ORNL 科學家之間的合作。該研究已發表在《美國化學會期刊》上。
