科学家研发“磁力打结”晶体，未来计算机或迎来变革！

科学家刚刚创造出一种前所未见的磁性晶体，它能让磁场在原子尺度上自发卷曲成纳米级的“漩涡”与“结”——这种奇异结构不仅挑战了传统磁学理论，还可能成为未来超低功耗电子设备和拓扑量子计算的核心材料。

这项由美国阿贡国家实验室与芝加哥大学合作完成的研究，发表于《自然·材料》，聚焦于一种全新合成的锰-锗合金单晶（MnGe）。当冷却至接近绝对零度时，该材料内部的电子自旋不再像普通磁铁那样整齐排列，而是形成一种名为磁斯格明子（magnetic skyrmions）的拓扑保护态——即一个个稳定、可移动、直径仅几纳米的磁涡旋。更惊人的是，在特定条件下，这些斯格明子还会进一步编织成三维螺旋链、环状阵列甚至打结结构，宛如微观世界的“磁力绳结”。

为何“磁漩涡”如此重要？

传统计算机用电子电荷存储信息（0和1），但电荷运动伴随发热与能耗。而磁斯格明子利用电子自旋方向编码数据，具有三大革命性优势：

1. 超小尺寸：比现有磁存储单元小100倍；
2. 极低驱动电流：移动一个斯格明子所需电流仅为传统磁畴壁的百万分之一；
3. 拓扑稳定性：即使受干扰，其“结”结构也不会轻易解开，数据更可靠。

过去，斯格明子只能在特定多层薄膜或外加强磁场下短暂存在。而此次新晶体在零外场、块体材料中自发形成高密度斯格明子晶格，且可在相对“高温”（约–250°C）下稳定——这为实际应用扫清了关键障碍。

研究团队利用洛伦兹透射电镜和中子散射技术，首次直接观测到这些磁结构的动态演化。他们发现，通过微调温度或施加微弱电流，就能精确操控斯格明子的生成、移动与湮灭——这正是构建“赛道存储器”（racetrack memory）或逻辑门的基础。

“我们不是在控制单个电子，而是在指挥一整支自旋舞蹈队，”项目负责人Sara Haravifard博士比喻道，“这些磁漩涡就像信息的微型信使，安静、高效、永不迷路。”

通往未来的“磁之路”

虽然距离室温应用仍有距离，但该材料的设计思路——通过调控晶体对称性与自旋-轨道耦合来诱导拓扑磁序——为新材料开发提供了蓝图。研究者正尝试用类似方法设计铁基或钴基化合物，以提升工作温度。

长远来看，这类“扭曲磁性”的晶体不仅可用于下一代存储芯片，还可能成为拓扑量子比特的载体，因其非平庸拓扑性质能天然抵抗环境噪声。

当硅基芯片逼近物理极限，人类或许正站在一场“自旋电子革命”的门槛上——而钥匙，就藏在这片会打结的磁性晶体之中。

参考资料：DOI: 10.1021/jacs.5c12764