佛罗里达州立大学科研团队近日合成出一种全新的晶体材料，其内部原子自旋不再像传统磁体那样整齐排布，而是形成规则重复的漩涡状“自旋纹理”，展现出与常规磁性材料截然不同的磁行为，被认为有望服务于高密度数据存储、低能耗电子器件以及未来量子信息技术。
研究人员采用了一种别出心裁的“结构竞争”策略：将两种化学组成接近但晶体对称性不同的化合物混合——一类由锰、钴和锗组成，另一类则由锰、钴和砷组成，而锗与砷在元素周期表中互为邻居。两种晶体结构在成分交界处无法同时保持完全稳定，从而产生所谓“结构挫折”，这种不稳定在微观层面被“转译”为磁性上的“挫折”，迫使原子自旋发生扭曲，最终在晶体内部自发组织成周期性旋涡图案。
在常规磁体中，大量原子自旋像小箭头一样整齐指向同一方向，或呈简单的反平行排列，从而产生我们熟悉的宏观磁性，用于计算机硬盘、智能手机等设备。而在这项工作中，科研团队发现的新材料中，自旋不再简单排队，而是形成更为复杂的环状、波状结构，即所谓“自旋纹理”，其中包括类似“斯格明子”（skyrmion）的螺旋或回旋构型，这类拓扑自旋结构是当今凝聚态物理和材料化学领域的前沿研究热点。
为确定这种斯格明子式磁结构，团队利用美国能源部橡树岭国家实验室的“飞溅中子源”用户设施，在TOPAZ单晶中子衍射仪上对样品进行了精细测量，并结合新近发展出的数据处理与机器学习工具，对复杂磁结构进行了高置信度解析。研究者指出，这一能力使他们不仅能“发现”奇特自旋纹理，更能够朝着“按需设计与优化”这些磁结构的方向迈进，为信息与量子技术的材料设计提供新路径。
从应用前景看，这类承载斯格明子式自旋纹理的材料被认为有望用于开发信息密度更高的硬盘或存储介质，并提升电子传输效率。由于通过磁场操控斯格明子所需能量极低，将其引入电子或自旋电子器件，有望显著降低能耗，尤其在拥有数千甚至数万处理器的大型超级计算系统中，节省的电力及冷却成本可能极为可观。
此外，研究人员认为，这种基于“结构挫折”的设计思路也可能为寻找可用于构建“容错型”量子比特的材料提供线索。所谓容错量子计算，是指通过材料与结构设计，让量子信息在存在噪声和误差的现实环境中仍可稳定存储和运算，被视为量子信息处理的“圣杯”，而复杂自旋纹理材料被认为是实现此类方案的一条潜在路径。
与以往更多依赖“材料猎奇”的路线不同，这项研究强调的是一种“化学思维”：不再只是在已知材料库中“搜寻”具备特定对称性的候选，而是从结构与自旋之间的内在关系出发，主动设计成分和晶体框架的组合，以诱导预期的磁纹理出现。研究团队表示，他们希望借此构建一种预测能力——通过事先设定元素与结构的组合，就能在纸面上推演出可能出现的新材料及其磁性特征，而不是仅靠实验试错。
这种方法的一个重要附加收益，是有望大幅拓展可用于产生斯格明子类自旋纹理的原料选择范围，从而找到成本更低、晶体更易生长、供应链更稳健的材料体系，更利于未来大规模技术应用。相关成果以“源自结构挫折的材料中出现斯格明子式自旋纹理”为题发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，研究使用的设施包括佛罗里达州立大学实验平台和橡树岭国家实验室的中子散射装置，并获得美国国家科学基金会资助。
编译自/ScitechDaily