舞起磁性 Skyrmion
磁斯格明子
问君歌舞远苍穹
千手观音若比同
多铁自旋今仰慕
电场随意卷长风
1. 引子
如果您问科学界最喜欢什么样的科学研究，大约有两种大致相反的答案：(1) 个人感兴趣的问题；(2) 对社会有用的问题。对于前者，会有学者说科学研究不能以功利为目的，应该追求有科学内涵的新发现和新效应，至于是不是对当前社会有用不是需要权衡的因素。所谓阳春白雪，即是如此。对于后者，会有学者说科学研究不能回馈于纳税人，那不过是“百无一用乃学问”，对不起衣食父母、对不住江山社稷。所谓下里巴人，即是如此。
虽然科学研究的内涵大概可以由图 1 的架构来表述，但不同的人看法迥异！长期以来，这两大阵营都醉心于呈口舌之快，都握有诸多历史和未来证据以示公义。只是，到头来发现都不好使。那些风生水起的研究，大多数都是针对“既有阳春白雪之里、又有下里巴人之表”的问题，这样才能根植于社会需求、去滋润源于内在逻辑的科学问题。过去几十年，科学界再也不时兴阳春白雪，虽然也有新月、佩尔曼、微波背景辐射、希格斯和暗能量这样的孤子、奇异子存在。
不妨将那些两面都兼顾的科学问题称之为“中庸之问”，请勿将“庸”理解为庸俗。显然，凝聚态物理应该属于此类。按照热力学和“中庸之问”，就能理解为什么从事凝聚态物理研究的学者能够占据物理学者的四分之三。
这种关注“中庸之问”的研究的确为现代信息文明的诞生做出巨大贡献，比如半导体晶体管、比如激光、比如光纤、比如存储器。。。。。
好，终于绕到了“存储器”！
存储器就是一类典型的、蕴含了无数科学发现、却又显著推动现代信息社会建设的“中庸之问”，是凝聚态物理的杰作！
图1. 科学研究的内涵：假设、规律、模型和理论。
https://www.learn-study-work.org/english/science/science-research/
2. 磁存储技术
到了二十一世纪，大数据和人工智能发展，对信息存储提出了更高 (密度)、更快 (速度)、更低 (能耗) 的需求。现有信息存储技术，主要包括半导体存储、磁存储、光存储等，其中应用最广泛的当属磁存储。经典磁存储技术，以磁性颗粒膜中特定磁矩取向区域，即所谓的磁畴，为信息存储单元。而早期的信息存取，直接依靠通电线圈产生磁场来改变磁畴的磁矩取向，实现信息读写，如图 2a 所示。特别是，读出过程依赖磁头中金属片不足 2 % 的磁电阻 (MR)，因此磁存储密度很低。1988 年，Albert Fert 和 Peter Andreas Grünberg 领导的课题组各自独立发现巨磁阻效应 (giant magnetoresistance, GMR)，是典型的“中庸之问”。也许当时并没有意识到这一效应会成为后来磁存储革新的要素，但他们的的确确是在关注磁信息材料的制备与表征。随后，GMR 技术被应用于磁存储领域，很短时间内就使得磁存储密度提高了近 1000 倍，实现了大规模产业应用。这一技术，不仅带来数据存储领域革命性的变革，也为磁存储技术冠以新的名词：自旋电子学 (spintronics) 作了很好的注解。
图2. a、传统机械硬盘读写过程示意图。b、自旋转移矩磁性随机存储器 (STT – MRAM) 结构示意图。这其中的关键是：钉扎层 (fixed layer) 中的磁矩是固定不动的，而自由层 (free layer) 中的磁矩要能够方便快速地实现翻转，以获得与钉扎层磁矩平行 (低阻态) 和反平行 (高阻态) 排列，实现信息的 0 和 1 两态。
图 2a 左半部分来自于https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive？，其余部分为笔者手绘。
接下来，在自旋电子学冠名下的各种可用于磁存储的新效应如雨后春笋，挡也挡不住，包括隧穿磁电阻 (tunnel magnetoresistance, TMR)、自旋转移矩 (spin transfer torque, STT)、自旋轨道矩 (spin orbit torque, SOT) 等。这些效应反过来又推动磁存储技术进一步发展，只是与 GMR 时期的乘风破浪之势相比稍有逊色。
到如今，基于自旋转移矩 - 磁性隧道结 (STT – MTJ) 结构而设计制备的自旋转移矩 - 磁性随机存储器 (STT – MRAM)，被广泛认为是新一代磁存储技术的核心原件。其基本原理是：通过自旋极化电流的 STT 效应，翻转 MTJ 自由层中的磁畴壁。这样就可以在全电流驱动下，实现 MTJ 中自由层与钉扎层磁矩方向平行或反平行排列，从而构建两态信息读写，如图 1b 所示。
STT – MRAM 凭借高速读写、高集成度、抗疲劳、非易失性等，吸引半导体公司如三星 (Samsung)、台积电 (TSMC)、格罗方德 (Global – Foundries)、联华电子 (UMC) 等投入人力物力研发高性能器件。自 2018 年起，这些公司先后计划量产 STT-MRAM，使其一时间成为众望所归，似乎很快就可以等待我们在饭桌上以好酒庆贺。
注意到，STT – MRAM 技术中，自由层磁矩的翻转是通过电流驱动磁畴畴壁运动来实现的。遗憾的是，这一机制存在一些不足：一方面，电流流动要产生焦耳热，不可避免消耗能量。另一方面，畴壁运动受杂质和缺陷钉扎也难以避免，要有效驱动畴壁运动就需要较大电流密度，一般高于 107 A / cm2。如此一来，器件发热问题严重、能耗高。仅此问题，就足够阻碍 STT – MRAM 的商业化进程。
这个领域向来是物理高手云集之地。他们夜以继日，苦苦思索解决之道而仍未得全身而退。在这一过程中，倒是有一些意外呈现出来，据说为化解发热问题提供了一丝契机。其中一个意外，便是磁性斯格明子 (skyrmion) 的出现。
图3. a、两种磁性斯格明子的自旋结构：Bloch 型 (上) 和 Néel 型 (下) [7]；b、斯格明子的三维和二维自旋结构示意图 [8]；c、斯格明子运动时可绕开杂质 [9]；d、MnSi 晶体的小角中子散射谱 [2]；e、利用洛伦兹电镜在 Fe0.5Co0.5Si 单晶中得到的斯格明子的实空间自旋分布图 [3]；f、非中心对称晶体中 DM 相互作用示意图；g、磁性多层膜中 DM 相互作用示意图。
3. 磁性斯格明子
对《量子材料》的读者而言，“磁性斯格明子”应该不是一个新名词，早前有文章专门科普阐述这一问题，可点击 Ising 的《踏破汉河无马炮，斯格明子作棋兵》、王凌飞的《用铁电把玩磁性斯格明子》。为本文完整性计，这里无妨再从笔者角度简述一二。
首先扼要说明什么是斯格明子。1960 年代，英国核物理学家 Tony Skyrme 为描述介子间相互作用，发展了非线性场理论，提出斯格明子概念。其本身无非是一种具有拓扑保护的类粒子稳定场结构。这一拓扑结构随后在液晶、光学、玻色 - 爱因斯坦凝聚等凝聚态物理分支中都有看到，并非稀奇之物。当然，磁学到了当代，非常接近实际应用，具有概念性创新的基础科学问题本来已不多。这里，突然冒出一个经典磁学没有过的局域拓扑结构，当然让人喜出望外。
作为推广，磁性斯格明子，即是一种具有拓扑非平庸手性涡旋组态的自旋结构，如图 3a 所示。这一概念是 Röβler、Bogdanov、Pfleiderer 三位物理人于 2006 年携手提出 [1]。磁性斯格明子具有理想的拓扑结构，所有自旋可以连续投影到一个球面，仿佛一个刺猬球、亦或是佛教中的千手观音形态，如图 3b 所示。由于球体具有拓扑不变性，所以磁性斯格明子的自旋结构亦具有拓扑保护性。这种所谓的拓扑保护，不仅使磁性斯格明子具有相对稳定的自旋结构、较好可动性，更为重要的是其在运动过程中不易被杂质、缺陷所钉扎，如图 3c 所示。据说这一性能可将驱动磁性斯格明子的电流密度降低至 102 A / cm2，比驱动传统磁畴壁所需电流密度要低 5 – 6 个量级。这个诱人的说辞，一下子让在“中庸之问”中高不成低不就的物理人兴奋异常。
简而言之，磁性斯格明子驱动电流密度低，能够部分地化解 STT – MRAM 的技术症结，诱使物理人各携尖枪利炮、纷纷涌入进来。君不见，磁学领域有些年不见的规模空前、阵容豪华大剧渐渐拉开序幕。
在这幕大剧中，很多人未必知道 S. Mühlbauer 等人首先成为主角。2009 年，他们在具有 B20 结构的手性磁体 MnSi 中实验 (衍射方法) 证实磁性斯格明子，如图 3d 所示 [2]。这标志着磁性斯格明子实验研究的开始。一年之后，Tokura 麾下的 X. Z. Yu (于秀珍?) 她们也加入进来，并通过洛伦兹电镜在实空间“揭开”磁性斯格明子的面纱，让人们“看到”尊容，如图 3e 所示 [3]。图 3e 当初如出水芙蓉一般，让很多人惊叹，因此都认为是 Tokura 他们首开记录。Jonietz、Mühlbauer、Pfleiderer 也不逞多让，同年以 102A / cm2 这样低的电流密度成功驱动磁性斯格明子 [4]。与此同时，不断涌现的工作渐渐将磁性斯格明子的尺寸减小到 5 nm [5]。
此时此刻，几乎所有人都认为，磁性斯格明子会与 GMR 效应一样，将给磁存储技术带来新的变革。已经“沉寂多年的磁学大咖” Albert Fert 也按耐不住激动心情，2013 年以一篇 “Skyrmions on the track” 的综述文章 [6] 宣布自己回归，将磁性斯格明子研究推向高潮。真所谓英雄创造历史，之后的斯格明子研究开始繁荣，形形色色的材料、各式各样的器件、精彩纷呈的物理，给稍有些冷清的磁学研究注入活力。百家以争鸣，摇旗而呐喊，作为一门新兴磁学交叉学科，斯格明子自旋电子学 (skyrmionic spintronics) 的旗帜就打了出来。
为了展示这种乐观情绪是何其汹涌澎拜，图 4 给出了几幅斯格明子在物理人梦里存储数据的画图。读者看后，大概不 high 也不行。
图4. 磁性斯格明子出现后，物理人给出的几幅存储数据之梦里水乡。
(左上)https://inhabitat.com/magnetic-particles-may-be-the-future-of-data-storage/
(右上)https://phys.org/news/2013-08-skyrmions-electronics.html
(左下)https://phys.org/news/2020-06-skyrmions-biological-cells.html
(右下)https://www.birmingham.ac.uk/news/latest/2019/04/skyrmions-could-provide-next-generation-data-storage.aspx
不管当前局面如何，从磁性斯格明子实验发现到今天，也已过去十余年时间。这段时间的一些足迹大概值得述说一番。主要有四种能够稳定磁性斯格明子的机制：
(1) 长程磁偶极相互作用与磁各向异性的竞争；
(2) Dzyaloshinskii – Moriya (DM) 相互作用与 Heisenberg 交换作用以及磁各向异性的竞争；
(3) 复杂的多重相互作用而形成阻挫；
(4) 四自旋交换相互作用。
这里，由 DM 相互作用产生的斯格明子具有尺寸小 (5 – 100 nm)、手性固定等特点，被认为是斯格明子器件的理想信息载体，也因此得到广泛关注。
所谓 DM 相互作用，其实质是自旋 - 轨道耦合效应对 Heisenberg 交换作用的相对论修正项，其哈密顿量可以写为 HDMI = D12 · (S1 × S2)，其中 D12 为 DM 矢量、S1 和 S2 为两相邻自旋矢量。从哈密顿量可以看出，DM 相互作用会使相邻自旋趋向于 D12 方向排列，从而产生螺旋磁结构。众所周知，Heisenberg 交换作用使相邻自旋趋向于平行或反平行排列，而磁各向异性使自旋趋向于面内或面外排列。在某一磁性体系中，如果存在 DM 交换作用、Heisenberg 交换作用及磁各向异性的相互竞争，便有可能产生具有类涡旋磁结构的斯格明子。
目前，DM 相互作用产生的斯格明子主要存在于两类材料中：
(1) 具有非中心对称结构的晶体，例如具有 B20 晶体结构的 FeGe、MnSi、Co-Zn-Mn 等。这些材料中，DM 相互作用来源于晶格不对称性导致的空间反转对称破缺，如图 3f所示。这种 DM 相互作用产生 Bloch型斯格明子。
(2) 具有空间反转对称破缺界面的磁性多层膜，如图 3g 所示，例如 Pt / Co / Ta、Ir / Fe / Co / Pt 等。这类材料中的 DM 相互作用方向平行于薄膜界面，往往会产生 Néel 型斯格明子。
理解了这些物理和机制，看起来可以大踏步往前走了，真的吗？
4. 电流调控的现状
对斯格明子器件的研究，一方面出于对赛道存储的兴趣，另一方面也基于纳米盘高密度磁内存。对于实际应用，很显然，器件必须基于磁介质薄膜而不是三维块体结构，因此在磁性薄膜中实现磁性斯格明子才是归属。这一方面有利于器件加工，另一方面也与现代电子工业更好契合。这种基于应用的要求却带来很多问题。现阶段制备磁性薄膜多层膜多采用磁控溅射技术。从材料结构看，这类薄膜多由纳米晶或非晶构成，所以杂质、缺陷较多，并且这些杂质缺陷的间隔往往小于磁性斯格明子尺寸。即使具有拓扑保护这个“金钟罩”，这一窘迫之势也使得斯格明子在磁性薄膜中运动时不可能不受杂质、缺陷的钉扎，实际驱动电流密度还是高达 104 - 107 A / cm2，远大于理论预测值。产生 - 湮灭或翻转斯格明子需要的电流可能更高。这一结果令人有些手足无措、膛目结舌。
屋漏偏逢下雨，在电流驱动的运动过程中，磁性斯格明子还会出现所谓的斯格明子霍尔效应：沿垂直电流方向做漂移运动！当漂移到器件边界时，斯格明子很容易被边界吞噬掉。边界因此成为斯格明子器件稳定性的杀手。斯格明子霍尔效应和居高不下的电流调控密度，无疑给其应用前景蒙上了一层阴影。物理人投入了大量的青春、朝霞和夕阳，以求解决之道，但往往顾此失彼、收效甚微。
物理学研究，或者说“中庸之问”的研究，总是能够柳暗花明和左右逢源的。的确，面对此情此景，一些物理人就开始左右逢源、另辟蹊径。其中一条尚不知能不能贯通之小道，乃是用电场取代电流作为调控斯格明子的外部激发源。
5. 另辟蹊径
从能带角度讲，磁性要求费米面附近具有 spin up 和 spin down 的两个子带错位，导致费米面附近很容易出现电子态密度，因此磁性材料多为金属。而金属良好的导电性使得施加电流作为手段可行，但施加电场调控就困难。这也是为什么自旋电子学选择自旋极化电流来实施调控，亦是磁性材料应用的传统。然而，磁翻转需要巨大电流进行调控，带来高耗能与发热，不利器件应用。
既然电流调控存在缺憾，那怎么办呢？选择电场而非电流来实施调控操作是一个主意，但磁性材料的高电导给直接施加电场带来困难。所以，得另辟蹊径，起点来自 Wiesendanger 研究团队 [10]。他们首先在 Ir(111) 衬底上外延生长出厚度仅有三个原子层的 Fe 膜，然后利用自旋极化的 STM 针尖于 Fe 膜上方施加电场。由于超薄薄膜中 Fe 原子间的结合力较弱，受到针尖电场提供库仑力后，Fe 原子会发生移动，这样就可以通过改变外加电场大小和方向来调控薄膜磁性，进而实现磁性斯格明子的擦写。
虽然这一工作展示了电场调控磁性斯格明子的可能性，但 7.8 K 的极低温工作环境、原子级外延薄膜、精密的扫描探针技术与斯格明子器件应用相去甚远。当然，实验装备之豪华也令人很多物理人望而却步。
其实，实现电场调控磁性，最为方便、有效的方法是基于多铁材料的磁电耦合效应。所谓多铁材料，是指铁电性和铁磁性共存且具有相互耦合的材料。基于铁性的耦合协同作用，便可以通过电场实现对磁结构的调控。这里，首先映入脑海的自然是这样的多铁性本身是否就有磁性斯格明子存在。有的，日本学者 Tokura 不愧是多铁性领域的代表性人物。早在 2012 年，他的团队就在多铁 Cu2OSeO3 化合物单晶中揭示出 Bloch 型斯格明子 [11]，同时也揭示出利用磁电耦合效应的确能调控磁性斯格明子，似乎秋风吹拂、将要麦浪滚滚了。
遗憾的是，由于铁磁、铁电起源的本源互斥性，同一种材料中同时满足空间反演对称性破缺 (铁电性) 和时间反演对称性破缺 (磁性) 的要求非常困难，因此单相多铁材料本来就不多。既要找到这样的单相材料，还要万事俱备引来磁性斯格明子这只凤凰，不是不可能，数学上发生的概率当然还是有的。况且，目前的单相多铁性材料工作温度偏低，也是挑战和难题。无论是 Cu2OSeO3、还是后来发现的 GaV4S8 [12]，其居里温度都低于 60 K。
相较于单相多铁材料，复相多铁材料可以将铁磁材料和铁电材料通过界面结合到一起，从而达到磁电耦合的效果。复相多铁材料，可以摆脱单相多铁材料的诸多要求，在材料选择和设计上要灵活很多。通过优化材料设计，复相多铁材料在室温就具有较大磁电耦合效应，实现室温甚至高温调控磁性的目标就没有物理上的束缚。
复相多铁材料调控磁性的唯象机制主要有两种：界面电荷机制和应力媒介机制。前者由于界面电荷对于磁性层的作用厚度仅有几个纳米，一般只适用于调控厚度较薄的磁性单层膜。后者则归结于应力，而应力却是长程力，以应力媒介为调控机制的铁电 - 铁磁异质结则选材广泛、结构简单，故而成为当前研究的主要方向。现阶段，具有较小尺寸的磁性斯格明子大多存在于具有多个重复单元的磁性薄膜中，这些薄膜厚度往往都在几十纳米左右。从这个角度来看，磁性斯格明子更适合于基于应力媒介机制来调控。
沿着这一思路，2019 年，美国宾州州立的陈龙庆研究组发表了他们基于相场模拟的研究工作。他们考虑的是铁电 - 铁磁异质结构，借助压电/电致伸缩产生应力机制，通过电场来调控斯格明子 [13]。
理论模拟是先导，充满了启示。本着“实践是检验真理唯一标准”的态度，笔者与合作者经过一段时间摸索，制备了基于 Pb(Mg1/3N2/3)O3 - PbTiO3 (PMNPT) 铁电单晶与 [Pt / Co / Ta]n 磁性多层薄膜的铁电 - 铁磁异质结。随后，通过外加电场施加应力，实现了磁性斯格明子的低能耗、非易失、多态调控。其中艰难非一纸所张，只能去难取成，述说一二。
6. 多铁异质结斯格明子
在笔者看来，基于铁电 - 铁磁异质结，实现磁性斯格明子调控，其关键在于铁电衬底提供的应力是否能克服磁性斯格明子与其它可能的拓扑态之间之能量势垒。从这个角度看，选择铁电衬底的核心标准就是衬底是否能够在大小适宜的电压下提供足够大应力。
在众多铁电材料中, (001) 晶向的 PMNPT 拥有目前铁电材料中最大的压电系数。对其施加电压后，会产生较大面内应变。同时，PMNPT 中 109° 铁电畴翻转产生的应变是非易失的，这也使电压非易失调控斯格明子成为可能。另外，考虑到磁性多层膜中 DM 相互作用的方向沿着平行界面方向，面内应力对其调控效果会更加显著。因此，对 PMNPT 上下表面施加电压的方式则较为合适，如图 5a 所示。由此，磁性薄膜感受到的应力总体上可以看作是面内等轴状态。
铁电衬底选定之后，利用磁控溅射技术在其表面镀上了 [Pt / Co / Ta]n 多层薄膜。实验表明，这种多层薄膜不仅与 PMNPT 衬底具有较好结合性，而且一定磁场的确可诱导薄膜产生高密度、尺寸小于 100 nm 的磁性斯格明子。笔者前面提到，磁性多层膜结构中斯格明子的产生和湮灭除了受 DM 相互作用影响外，磁各向异性对其影响也很显著。为了提高应力调控效果，需要对薄膜成份进行精细调控，使得产生高密度、小尺寸斯格明子的同时，其易磁化轴更接近面内方向。如此，PMNPT 提供的面内应力的调控会更加有效。
图5. a、PMNPT / [Pt / Co / Ta]12 复合多铁异质结纳米结构示意图；b 和 c 为 [Pt / Co / Ta]12 多层膜纳米点阵的扫描电镜图像以及截面图；d、[Pt / Co / Ta]12 纳米点随磁场和直径的磁畴演变过程。红色菱形表示条带畴完全转变为斯格明子的临界场，空心菱形表示面外单畴出现的临界场，插图为条带畴 (黑色方框)、斯格明子 (红色方框) 以及面外单畴 (绿色方框) 的自旋结构。
选定了铁电衬底，制备好磁性多层膜，算是初步完成多铁异质结的设计。此时的异质结不过就是个半成品，斯格明子存储器件追求的是对单一斯格明子的连续高效控制，器件需有更高稳定性和较小尺寸。基于这一要求，笔者将 [Pt / Co / Ta]12 连续薄膜刻蚀成不同直径的纳米圆盘 (如图 5a 所示)，以看看纳米圆盘直径对磁性斯格明子个数的影响，如图 5b – d 所示。很容易看到，随着纳米圆盘直径降低，磁性斯格明子个数逐渐减少。当直径降到 350 nm 时，纳米圆盘中就只存在单个斯格明子。本工作中，直径为 350 nm 的圆盘就成为后续电场调控研究的主要对象。
7. 单个斯格明子调控
对于笔者，也对于所有物理人而言，科研的乐趣就在于收获未知世界之一丝一毫后的欣喜，虽然过程无比艰辛，却也能自得其乐。到了这一步，铁电 - 铁磁异质结 (二维薄膜和纳米盘阵列) 设计已真正完成，初步表征显示也可产生需要的斯格明子。然而设计再好，不能调控也是空谈。接下来，就让我们看看我们的努力到底是前功尽弃、还是一发命中。
笔者是幸运的，对异质结纳米盘施加电压后，[Pt / Co / Ta]12 层中磁性条纹畴在下方的 PMNPT 衬底拉应力作用下立马就转变成斯格明子；而换成压应力，又驱使斯格明子返回条纹畴，如图 6a 所示：其中箭头展示了实验操作的路径，数据结果表现为 PMNPT 中的应变-电场回线。对应的磁图像作为插图一一展示于图中对应位置。这一步实现后，本文的主要目的即已达成。
不过，虽然应力场是长程的，但其衰减实际上也很快，因此需要对这一调控模式到底在多厚的 [Pt / Co / Ta] 层中依然可以起作用，虽然我们希望是越厚越好。同时，增大磁性薄膜传递的应力会不会出现更多拓扑态，也是值得关注的问题。沿着这一思路，我们尝试了将磁性多层膜的重复单元在 8 到 12 之间改变，以改变薄膜中传递的应力状态。幸运的是，我们看到了明显的变化：对 [Pt / Co / Ta]8，在压应力区域，就出现了第三种拓扑态 —— 面内涡旋畴，如图 6b 所示。这一涡旋畴在 12 层体系中就没有。这个初步结果似乎表明，通过调控磁性层的厚度，对斯格明子的调控就可由两态调控升级为三态调控，提高了磁性斯格明子器件的存储功能。
图6. 直径为 350 纳米的 a、[Pt / Co / Ta]12 和 b、[Pt / Co / Ta]8 纳米盘的平均应变 (εave) 随电场的变化曲线，插图为相应电压下 (灰点) 的磁畴演化过程，绿色方框表示磁畴演化路径的初始状态。
当然，花样远不止于此。我们的实验进一步揭示了一些新的现象。例如，这种条纹畴 - 斯格明子 - 面内涡旋畴之间的三态转变是非易失的，可以通过电场脉冲来实现任意两态的转变，如图 7a 所示。这样的一组效应，我们就可以列出很多独特之处：电场开关的、拓扑保护的、多于两态的、非易失的、。。。。我们还可以为其戴上各种高帽子：多态存储、超高稳定性、超低损耗，等等。戴高帽子也好、罗列独特之处也行，其实都是初步的，离实际需求还差很远！即便如此，我们还是可以大胆设想：基于电场调控磁性斯格明子的多态转变，赋予了构建未来低能耗、非易失、多态磁存储器件的可能性。路途是艰辛的，前途当然亦是光明的，如图 7b 所示。
图7. 脉冲电场擦写单个斯格明子及多态调控。a、通过施加脉冲电场 (脉冲宽度为 1 ms)，对不同拓扑数 Q 的非易失性切换 (Q 为1、0.5、0 分别对应于斯格明子、涡旋畴和条带畴)，插图为相应的磁畴图像；b、基于铁磁/铁电复合多铁性异质结构，以条纹畴、斯格明子和涡旋畴为存储单元的磁性随机存储器的结构示意图。
图 7 所示的多态转换自然不是无中生有，其形成机理乃有章可循。结合磁性测量、磁畴观测，配合微磁学模拟，理解这一多态转换并非太困难：
(1) 如图 8a 和图 8b 所示，铁电衬底产生的应力主要影响磁性薄膜的磁各向异性和 DM 相互作用。其中，拉应力可减弱 DM 相互作用，同时使薄膜磁易轴向面外偏转。
(2) 微磁模拟显示，DM 相互作用一定程度减弱，有助于斯格明子成核；而磁易轴向面外偏转，对斯格明子成核影响不大。因此，拉应力产生斯格明子，是由于 DM 相互作用减弱而降低了斯格明子成核临界应变场所致。与之相反，压应力则可增强 DM 相互作用，同时使磁易轴向面内偏转。DM 相互作用增强使斯格明子成核应变场增加，体系返回条纹畴，如图 8c 和图 8d 所示。
(3) 磁易轴向面内偏转，自然会使得磁矩向面内偏转。如果压应力 (应变) 足够大，加上几何受限，出现面内涡旋畴当属自然。
(4) 将上述整个过程按照两条路径卡通式表述在图 8c 和图 8d，让我们对这一理解充满信心。
图8. 直径为 350 nm 的 [Pt / Co / Ta]12 纳米点之 a、有效各向异性 (Kave) 和 b、DM 相互作用 (Dave) 随应变变化的变化。利用微磁学模拟得到的纳米点的磁畴结构随 c、DM 相互作用 (Dave) 和 d、有效各向异性 (Kave) 的演变过程。
8. 谨慎的展望
虽然铁电 - 铁磁异质结对磁性斯格明子有不错的调控效果，但局限性同样也显而易见：
(1) PMNPT 单晶衬底较厚，无法与现代半导体工业兼容。于应用而言，这是必须解决的大问题。
(2) 承载单个磁性斯格明子的纳米盘尺寸较大，其直径约 350 nm。这个尺寸当然不是高密度存储应用所能容忍的，必须下力气减小这一尺寸到 ~ 50 nm 或更小？在我们的实验中，纳米盘直径小于 300 nm 时，几何受限效应很强，影响斯格明子的稳定性，也影响各态翻转的临界场。
(3) 目前我们对各态开关的弛豫时间并没有清晰认识，虽然电压脉冲可以很短，但我们需要用磁力探针显微术 (MFM) 去读取斯格明子的状态。从另一个角度，实际存储信息的探测读取我们尚未涉及。
需要特别讨论的是，目前的纳米盘结构，跟赛道存储架构风牛马不相及。不过，随着研究的推进，现在的存储架构更多倾向于 MRAM 圆盘的多态存储，不再过于追求斯格明子连续运动。赛道存储，需要驱动磁性斯格明子沿着赛道连续运动，追求的是高速度、低驱动、无偏移，这里偏移是因为斯格明子霍尔效应。在磁性薄膜中，因为质量控制的缘故，在薄膜中驱动斯格明子与驱动传统磁畴壁并没有明显优势，并且还有霍尔效应介入。在这些问题获得圆满解决之前，斯格明子赛道存储还有很长之路要走。而基于几何受限结构中的斯格明子多态存储可能是一个更好出路，因为斯格明子拓扑保护使其与传统磁畴壁相比，可以具有更小尺寸、更好稳定性、更多可能性。
诚然，这些问题都有希望获得解决。例如，制备基于 PMNPT 二维转移薄膜的铁电 - 铁磁多铁异质结即是一种思路。如此，异质结可以不再受衬底限制，非常适合相关器件加工所需。再比如，制备具有小于 50 nm 磁性斯格明子的新材料也有迹可循：基于阻挫机制、四极相互作用机制等，形成的斯格明子尺寸都可能小到纳米量级。但如何提高其工作温度，还需进一步探索。此外，为了实现器件用途，还需实现完整的擦写、读出功能，需要构筑 MRAM 存储芯片原型。
前路漫漫，脚下无非一小步，依稀白发鬓前头。从 2009 年磁性斯格明子被实验证实至今，时光已经走过十二个年头。过去十余年，铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性斯格明子相继问世，调控手段也由单一电流调控转变到现如今力、热、光、电、磁多场调控。多磁性态、多物理场引入使磁性斯格明子展现出更丰富的磁电特性，物理上自然是丰富多彩。但是，磁性斯格明子器件的高速度、高密度、低能耗、非易失总是不变的主题。围绕这一主题，需要诸位同行共同努力。作为这一领域的后继者，我们也做了一些简单的、初步的、也许包含了很多 defects 的数据。若相关内容能给读者一些启示，那是笔者的荣幸。
最后，谨对这一工作所有参与者致谢！没有他们的参与指导，这一工作是不可能的。在此要特别感谢高兴森教授，他推动了华南师范大学先进材料研究所的实验平台建设，在扫描探针显微术研究几何受限结构方面有很好积累，为本工作打下坚实基础。笔者也对国家基金委、科技部和依托单位等各路财神表达谢意！没有数据不行，没有经费亦不行！看君如果有意关注我们研究工作的素材与细节，可前往御览不久前刊印在 Nature Communications 11, 3577 (2020) 上的论文“Electric-field-driven non-volatile multi-state switching of individual skyrmions in a multiferroic heterostructure”。点击文末之“阅读原文”，即可访问。
参考文献
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[10]. P.-J. Hsu et al. Electric-field driven switching of individual magnetic skyrmions. Nature Nanotech. 12, 123 (2017).
[11]. S. Seki et al. Observation of skyrmions in a multiferroic material. Science 336, 198 (2012).
[12]. I. Kezsmarki et al. Neel-type skyrmion lattice with confined orientation in the polarmagnetic semiconductor GaV4S8. Nature Mater. 14, 1116 (2015).
[13]. J. M. Hu et al. Strain-mediated voltage-controlled switching of magnetic skyrmions in nanostructures. npj Comput. Mater. 4, 62 (2018).
备注：
(1) 笔者侯志鹏，任职于华南师范大学先进材料研究所。致力于磁性斯格明子新材料开发及多场调控，在阻挫材料 Fe3Sn2中发现了宽温域- 跨室温磁性斯格明子，基于几何边界调控获得了可在 630 K 稳定存在的磁性斯格明子，实现了电流驱动磁性斯格明子手性反转，基于铁电/铁磁多铁异质结实现了电场对磁性斯格明子低能耗、非易失、多态调控。
(2) 题头小诗乃表达：斯格明子原本是高能核物理那番苍穹中的形态，就像佛教的千手观音一般。当那些理论和宗教中的事物成为尘世中的真实存在时，磁性斯格明子及其电场调控自然是很拉风的！
(3) 封面图片展示了类斯格明子的结构，来自 https://phys.org/news/2017-04-skyrmions-special-spiral.html。
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