下一代信息技術：自旋電子學革命可能就在一念之間

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十年前，被稱為磁性Skyrmions的準粒子發現為微觀自旋織構如何使自旋電子學成為可能提供了重要的新線索 ，自旋電子學是一種利用電子自旋方向而不是電荷來編碼數據的新型電子學。儘管科學家們在這個非常年輕的領域取得了巨大的進步，但他們仍然不完全瞭解如何設計出能夠實現超小型、超高速、低功耗器件的自旋電子學材料。

Skyrmions看起來很有希望，但科學家們長期以來一直將Skyrmions僅僅視為二維物體。然而，最近的研究表明，2D Skyrmions實際上可能是3D自旋模式Hopfion的起源。但是還沒有人能夠通過實驗證明納米尺度上存在磁性Hopfion。

現在，由伯克利實驗室共同領導的一個研究小組在《自然通訊》上報道了首次在磁性系統中以納米尺度（十億分之一米）展示和觀察到的從skyrmions中出現的3D Hopfion。研究人員説，他們的發現預示着在實現高密度、高速、低功耗、超穩定的磁存儲設備方面向前邁出了一大步，這種磁存儲設備利用了電子自旋的固有能量。

研究人員不僅證明了像3D Hopfion這樣複雜的自旋紋理的存在，他們還演示瞭如何研究和利用它們。根據之前的研究，hopfion與skyrmions不同，當它們在設備上移動時不會漂移，因此是數據技術的優秀候選。此外，英國的理論合作者預測，Hopfion可能從多層2D磁系統中產生。

眾所周知，Hopfions和skyrmions在磁性材料中共存，但它們在三維空間有一個特徵性的自旋模式。因此，為了區分它們，研究人員使用了兩種先進的磁性X射線顯微鏡技術的組合對hopfions和skyrmions的獨特自旋模式進行成像。為了證實他們的觀察結果，研究人員隨後進行了詳細的模擬，以模擬磁性器件內部的2D skyrmons如何在精心設計的多層結構中演化成3D hopfions，以及這些在偏振X射線光成像時將如何出現。

為了瞭解Hopfion最終將如何在設備中發揮作用，研究人員計劃利用伯克利實驗室的獨特能力和世界一流的研究設施以進一步研究這種準粒子的動力學行為。