中国强磁场捕获拓扑磁涡旋，加速下一代超高速高密度存储器量产

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你的硬盘在未来或许会变得更快、更省电，容量增加上千倍。这听起来像科幻，但中国科学院合肥物质科学研究院的一项最新实验，正让这种可能性向现实迈进一步。

研究团队制备了一种特殊的"三明治"结构。他们将反铁磁Kagome材料FeSn（铁锡化合物）与重金属Pt（铂）贴合在一起。当外加磁场逐渐增强时，他们发现了一个反常现象：在弱磁场区域，材料的电阻出现了周期性的振荡，而且振幅逐渐衰减。

这种表现与物理学家熟悉的舒布尼科夫-德哈斯振荡（Shubnikov-de Haas oscillations）截然不同。后者通常出现在强磁场、低温环境下，源于电子在磁场中形成的朗道能级量子化。而这次的振荡发生在低磁场区，行为模式也完全不符合传统理论预期。

更关键的是，这种振荡与材料的磁状态紧密相关。通过精细调节FeSn层的厚度，研究人员发现只有特定厚度的样品才会展现出这种奇特的电输运行为。这暗示着一种全新的物理机制正在起作用。

为了揭开谜团，研究团队祭出了"杀手锏"——一台自制的低温强磁场磁力显微镜（MFM）。这台设备运行在中国科学院强磁场科学中心的稳态强磁场实验装置（SHMFF）上，能够在接近绝对零度的温度和高达数特斯拉的磁场环境下，对材料表面的磁结构进行纳米级分辨率的实时成像。

图像揭示了真相：FeSn/Pt异质结内部形成了丰富的拓扑磁纹理。这些纹理包括磁斯格明子（skyrmions）——一种类似涡旋的纳米级磁结构，其自旋排列在三维空间中形成特殊的拓扑构型。

这种现象源于界面处的一种特殊相互作用，称为Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用。由于FeSn与Pt的接触打破了空间反演对称性，电子自旋与轨道运动之间产生了强耦合。这种相互作用能够稳定住这些拓扑磁结构，使其不像普通磁畴壁那样容易消失。

研究人员确认，正是这些拓扑磁纹理的形成与演化，导致了观测到的异常磁阻振荡。这是首次在反铁磁Kagome体系中建立起这种直接的对应关系。

要理解这项工作的分量，需要回顾磁电子学的发展历程。

过去几十年，硬盘读写头和磁随机存储器（MRAM）主要依赖铁磁材料。铁磁材料具有净磁矩，就像一个个小磁铁，容易探测也容易操控。但它们有个致命弱点：对外部磁场敏感，相邻比特之间还存在杂散场干扰，这限制了存储密度的进一步提升。

反铁磁材料则完全不同。其内部相邻原子的磁矩呈反平行排列，宏观上几乎不表现出磁性。它们抗外场干扰能力极强，而且没有杂散场，数据存储密度理论上可以大幅提高，切换速度也能达到飞秒量级（比铁磁材料快一千倍）。

反铁磁材料很难被探测和操控。直到近年来，随着自旋电子学的发展，特别是拓扑绝缘体和二维材料研究的深入，反铁磁材料才重新进入视野。Kagome晶格（一种类似竹篮编织的六边形网格结构）因其特殊的几何阻挫特性，能够产生平带、狄拉克点等拓扑能带结构，成为探索新奇量子物态的理想平台。

将Kagome几何与反铁磁性结合，再引入拓扑磁纹理，这条技术路线被国际学术界视为下一代超高速、高密度、低能耗存储器件的核心方案。

在这项研究中，自主研发的实验装置起到了决定性作用。

稳态强磁场实验装置（SHMFF）是中国建设的重大科技基础设施，其混合磁体能够产生45.22特斯拉的稳态磁场，是目前全球第二高的稳态磁场强度。依托这一装置，中国科学家开发了系列极端条件下的测量系统。

这次使用的自制低温强磁场磁力显微镜，就是SHMFF的"独门武器"之一。国际上能够开展这类极端条件下原位成像的实验室屈指可数。这种硬件能力，加上在材料制备（分子束外延生长高质量FeSn薄膜）和理论分析方面的积累，使得中国团队能够在激烈的国际竞争中占据有利位置。

目前，全球多个顶尖团队都在争夺反铁磁斯格明子器件的首次实用化突破。德国、日本、美国的研究组在材料体系和器件结构上有深厚积累。中国团队的优势在于拥有完整的链条：从强磁场设施、材料制备到输运测量和显微成像，能够独立完成从现象发现到机制确认的全过程。

这项工作的意义不仅在于发现了一种新现象，更在于提供了一套完整的实验方案：如何通过界面工程调控DM相互作用，如何在反铁磁体系中稳定拓扑磁结构，以及如何用电学方法读取这些纳米级的磁信息。这为未来设计基于反铁磁斯格明子的存储器和逻辑器件奠定了物理基础。

Liu, X., et al. (2025). Anomalous Magnetoresistance in an Antiferromagnetic Kagome Semimetal Heterostructures. Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.202519240