近日，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Albert Fert合作完成了一個(gè)科研項(xiàng)目，將單層的石墨烯和薄層磁性材料(鈷和鎳)結(jié)合在一起，使它能在非常小的體積下快速高效地存儲(chǔ)傳輸數(shù)據(jù)。這為下一代計(jì)算發(fā)展奠定了高速儲(chǔ)存技術(shù)基礎(chǔ)。

因?yàn)閷?duì)多層材料的磁性效應(yīng)研究做出突出貢獻(xiàn)，Albert Fert在2007年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。也正因?yàn)樗x取硬盤驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)的新技術(shù)才得以問世，之后這種技術(shù)得到開拓發(fā)展，逐漸引出一個(gè)新的研究領(lǐng)域——“自旋電子學(xué)”。通過(guò)研究如何控制利用 “自旋”電子的基本屬性，科學(xué)家們?cè)噲D開發(fā)出一種用于計(jì)算機(jī)的新型低耗能、高速存儲(chǔ)運(yùn)算技術(shù)。

那究竟什么是電子自旋呢？伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家Andreas Schmid解釋說(shuō)：“在量子物理學(xué)的概念里，電子就像是羅盤的指針，會(huì)指北或指南，這種特性就是自旋。”而石墨烯和磁性層之間又是如何相互影響的呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，材料的電子和磁性會(huì)在層相遇的地方形成微小的漩渦模式，這為控制這些漩渦方向以及在超薄材料中利用這些“自旋軌道”效應(yīng)提供了可能。

通常情況下，希望利用這一效應(yīng)的研究人員會(huì)將重金屬或貴金屬(如鉑和鉭)與磁性材料結(jié)合在一起。但石墨烯的出現(xiàn)成為了一種具有革命意義的潛在替代品，因?yàn)樗直∮州p，具有非常高的導(dǎo)電性，并且還可作易腐蝕磁性材料的保護(hù)層。這完全滿足科學(xué)家們對(duì)“自旋電子學(xué)”的研究初衷，能夠?qū)崿F(xiàn)在非常小的體積下快速高效地存儲(chǔ)傳輸數(shù)據(jù)，并且不會(huì)產(chǎn)生熱量積聚，這個(gè)特征能解決當(dāng)前小型計(jì)算設(shè)備最常見的高溫難題。

Andreas Schmid說(shuō)：“你可以想象未來(lái)我們不再需要電腦移動(dòng)硬盤，我們僅僅用幾個(gè)電信號(hào)就可在其他固態(tài)設(shè)備中存儲(chǔ)信息。在這種情形下，計(jì)算功耗會(huì)降低，而且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的易失性問題也可解決，畢竟‘硬盤’不再移動(dòng)。”

目前他們的最新研究成果已經(jīng)表明，實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的曙光就在眼前，下一步該做的是控制一種納米磁性特征——斯格明子(skyrmions，專業(yè)解釋見文末)，它可以使材料的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出特定的手性特征，使它們可以順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

在傳統(tǒng)的層狀材料中，電子在材料中的傳播模式就像風(fēng)吹一樣，一波連著一波，如果想改變磁結(jié)構(gòu)，就會(huì)像強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)一堆葉子一般。但這種石墨烯層狀材料的卻相反，由于“自旋霍爾效應(yīng)”(專業(yè)解釋見文末)，新的石墨烯層狀材料中的強(qiáng)電子自旋效應(yīng)可以驅(qū)動(dòng)相反手性的不同方向的磁性結(jié)構(gòu)，這解釋了電流如何影響自旋，反之亦然。如果這種手性可以通過(guò)一種材料普遍對(duì)齊，并以受控方式翻轉(zhuǎn)，研究人員就可以用它來(lái)處理數(shù)據(jù)。

Schmid補(bǔ)充說(shuō)：“我們的團(tuán)隊(duì)成員通過(guò)計(jì)算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯結(jié)合，并構(gòu)建多層堆疊的結(jié)構(gòu)，那么這種現(xiàn)象和影響會(huì)被非常有力地放大。”為了測(cè)量多層材料，科學(xué)家在伯克利的國(guó)家電子顯微鏡中心用上了最高端的儀器——自旋極化低能電子顯微鏡(SPLEEM)。這是世界上僅有的一些專用設(shè)備之一，能以標(biāo)樣為基準(zhǔn)映射出樣品的三維磁化輪廓(或矢量)的方向，揭示其“旋轉(zhuǎn)紋理”，讓科學(xué)家獲得不同種類的圖像。同時(shí)該研究小組還用這臺(tái)儀器的分子束外延功能精確地制備了樣品，并使用其他形式的電子束探測(cè)技術(shù)研究樣品。

 
     作為共同主要作者的Gong Chen是伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員，現(xiàn)在也是加州大學(xué)戴維斯分校物理系的項(xiàng)目助理科學(xué)家，他表示，為這次合作早在2016年就和法國(guó)的科學(xué)家召開過(guò)一次會(huì)議，他們兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之前都獨(dú)立開展了類似的研究，后來(lái)終于實(shí)現(xiàn)了協(xié)同合作。
 
    Chen說(shuō)：“盡管本次最新實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果早在幾十年前就被討論過(guò)，但使用像石墨烯這樣原子級(jí)薄的材料代替重元素來(lái)產(chǎn)生這些效應(yīng)，不管從哪個(gè)角度來(lái)說(shuō)都是一個(gè)新概念。薄膜的自旋霍爾效應(yīng)長(zhǎng)期以來(lái)一直被科學(xué)家們忽視，但事實(shí)上這種類型的多層堆疊非常穩(wěn)定和堅(jiān)固。”
 
    Schmid也說(shuō)：“應(yīng)用斯格明子對(duì)于數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō)可能是革命性的突破，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)下信息的存儲(chǔ)密度可以遠(yuǎn)高于常規(guī)技術(shù)所能達(dá)到的數(shù)值，并且功耗要低得多。我們的研究人員也正努力在絕緣體或半導(dǎo)體上制備石墨烯磁性多層材料，以使其開拓出更多的潛在應(yīng)用。”
 
    這項(xiàng)工作由美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與法國(guó)巴黎第十一大學(xué)的科學(xué)家合作完成的，其中包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Albert Fert教授。該團(tuán)隊(duì)在伯克利實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家電子顯微鏡中心完成了最關(guān)鍵的測(cè)量工作，他們的研究結(jié)果以論文形式發(fā)表在《Nature Materials》期刊上。