在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，數(shù)據(jù)往往是以二進(jìn)制形式的“0”與“1”來(lái)存儲(chǔ)。例如，我們常見的磁表面存儲(chǔ)器，就是利用涂覆在載體表面的磁性材料的兩種不同的磁化狀態(tài)，來(lái)表示二進(jìn)制信息的“0”和“1”。然而，據(jù)媒體報(bào)道，科學(xué)家們?cè)l(fā)現(xiàn)一種奇特的粒子，能將筆記本計(jì)算機(jī)硬盤縮小至花生大小。

這種粒子就是“斯格明子”（Skyrmion），它是一種具有粒子特性的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。這一概念最早在高能物理中被提出，是由英國(guó)物理學(xué)家Tony Skyrme于1962年在理論上求解非線性sigma模型得出的一個(gè)非平庸經(jīng)典解，是一種拓?fù)涔铝⒆?，現(xiàn)在常指磁性材料中的斯格明子。

斯格明子具有尺寸小、穩(wěn)定性高、操控難度低等特點(diǎn)，有利于未來(lái)構(gòu)建高密度、高速度、低能耗的磁存儲(chǔ)器。一段時(shí)間，這種稱為“斯格明子”的微型磁渦旋結(jié)構(gòu)受到了科學(xué)家們集中的研究。例如，筆者曾介紹過(guò)新加坡國(guó)立大學(xué)的科研人員發(fā)明的一種新型超薄多層膜，就是利用斯格明子進(jìn)行信息存儲(chǔ)。

但是，德國(guó)于利希研究中心教授 Stefan Blügel 表示：“迄今為止，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都被認(rèn)為應(yīng)該以一系列斯格明子和空白空間來(lái)代表?！毕嗬^的斯格明子之間的距離可編碼二進(jìn)制信息。然而，它必須經(jīng)過(guò)控制或者量子化，從而使得斯格明子在自發(fā)漂移的過(guò)程中不會(huì)丟失信息。

近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心與德國(guó)于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）的科學(xué)家們合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)了另外一種粒子般的磁性物體:“手性磁浮子”（chiral magnetic bobbers），為解決上述問(wèn)題帶來(lái)了新機(jī)遇。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的編碼可以直接通過(guò)一系列的斯格明子和手性磁浮子來(lái)進(jìn)行。它們每一個(gè)都可以自由漂移，無(wú)需相繼數(shù)據(jù)比特載體之間保持準(zhǔn)確的距離。這項(xiàng)研究將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的開發(fā)向前推進(jìn)了一大步。如果斯格明子用于編碼數(shù)據(jù)“1”，那么磁浮子就用于編碼數(shù)據(jù)“0”。手性磁浮子是一種出現(xiàn)于特定合金表面附近的三維磁結(jié)構(gòu)。

于利希研究中心 Peter Grünberg 研究所（PGI-1）博士 Nikolai Kiselev 表示：“長(zhǎng)期以來(lái)，手性磁體領(lǐng)域研究的唯一對(duì)象就是磁性斯格明子?，F(xiàn)在我們?yōu)榭蒲腥藛T的研究提供了一種新對(duì)象【磁浮子】，它具有一系列獨(dú)特的特性?！比昵?，他與研究所主任教授 Stefan Blügel 以及其他合作伙伴一起，從理論上預(yù)測(cè)了這種新型磁結(jié)構(gòu)的存在。

現(xiàn)在，來(lái)自德國(guó)恩斯特魯斯卡電子顯微學(xué)與電子譜學(xué)中心（Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons）的主任教授 Rafal E. Dunin-Borkowski 及其同事們通過(guò)實(shí)驗(yàn)成功地在真實(shí)材料中證明了這種磁浮子的存在。

以斯格明子為代表的磁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與材料的一種特性相關(guān)，它就是手性。手性一詞指一個(gè)物體不能與其鏡像相重合，例如我們的雙手，左手與互成鏡像的右手不重合。左手不能轉(zhuǎn)化為右手，同樣右手磁結(jié)構(gòu)和左手磁結(jié)構(gòu)也不能相互轉(zhuǎn)化。

此外，斯格明子和新發(fā)現(xiàn)的手性磁浮子都非常微小，一般來(lái)說(shuō)直徑只有幾十納米。因此，原則上它們可用于在存儲(chǔ)芯片上非常密集地打包數(shù)據(jù)。然而，它們的小尺寸使得觀察變得極具挑戰(zhàn)性。Rafal Dunin-Borkowski 解釋道：“在這么小尺寸基礎(chǔ)上的磁織構(gòu)可視化，需要采用全世界范圍內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室才有的最先進(jìn)的技術(shù)?！?/p>

為什么磁孤子（在非線性物理中這種粒子般的物體的另一個(gè)名字），例如斯格明子和手性磁浮子，具有很好的應(yīng)用前景？另外一個(gè)重要原因就是：與存儲(chǔ)于硬盤驅(qū)動(dòng)器中的數(shù)據(jù)比特不同，斯格明子是可移動(dòng)的物體。一個(gè)非常微弱的電流脈沖，就可以引發(fā)它們沿著芯片中的引導(dǎo)軌跡運(yùn)動(dòng)。這一特性為開發(fā)全新的磁性固態(tài)存儲(chǔ)器（也稱為斯格明子賽道存儲(chǔ)器）帶來(lái)了新的機(jī)遇。Nikolai Kiselev 解釋道：“斯格明子的可移動(dòng)性，使得數(shù)據(jù)在從寫元件移動(dòng)到讀元件過(guò)程中，無(wú)需任何可移動(dòng)的機(jī)械部件例如讀寫頭，也無(wú)需硬盤本身旋轉(zhuǎn)。”

這種能力節(jié)約了能量。這是因?yàn)榻M件的運(yùn)動(dòng)通常需要更多的能量，占用更多的空間，而且對(duì)機(jī)械振動(dòng)與沖擊敏感。新型固態(tài)磁存儲(chǔ)器沒有上述缺點(diǎn)?，F(xiàn)在，新發(fā)現(xiàn)的磁粒子使得通過(guò)兩種類型的磁性物體（斯格明子和磁浮子）直接編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變?yōu)榭赡堋?/span>

下一步的研究就是開發(fā)實(shí)際應(yīng)用。在 Nikolai Kiselev 及其同事們研究的鐵鍺合金中，這種結(jié)構(gòu)只有在達(dá)200開爾文（零下73.5攝氏度）的條件下才是穩(wěn)定的。然而，科學(xué)家們通過(guò)理論探討預(yù)測(cè)，就像最近發(fā)現(xiàn)的一些種類的斯格明子一樣，磁浮子也可能在其他手性磁體中產(chǎn)生，也可以存在于室溫條件下。